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世界上能作为光触媒的材料众多,包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体
作者:上海江沪  来源:原创  发布时间:2015-10-08 21:32:59


世界上能作为光触媒的材料众多,包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体

二氧化钛是氧化物半导体的一种,是世界上产量非常大的一种基础化工原料,普通的二氧化钛一般称为体相半导体以与纳米二氧化钛相区分。具有Anatase或者Rutile结构的二氧化钛在具有一定能量的光子激发下,能使分子轨道中的电子离开价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)。从而在材料价带形成光生空穴[Hole+],在导带形成光生电子[e-],在体相二氧化钛中由于二氧化钛颗粒很大,光生电子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合,从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。但是纳米的二氧化钛颗粒由于尺寸很小,所以电子比较容易扩散到晶体表面,导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区-光生电子和光生空穴。由于光生电子和光生空穴都有很强的能量,远远高出一般有机污染物的分子链的强度,所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应,产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用,一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。
从上面介绍我们可以看到,二氧化钛的光催化反应过程,很大程度依靠第一步的光子激发,所以有足够激发二氧化钛的光子,才能提供足够的能量,我们也可以知道,光催化反应并不是凭空产生的它也是需要消耗能量的,符合能量守恒原则,它消耗的是光子,也就是光能。如果是太阳光照射光触媒就利用太阳能,灯光就是利用光能。联合国将纳米光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。
什么样的光子能激发二氧化钛呢,从理论结构上来说,锐钛二氧化钛的导带与价带之间的间隙[我们称之为能隙]是3.2eV 而金红石二氧化钛为3.0eV,所以金红石需要光能大于3.0eV的光子而锐钛需要大于3.2eV的光子。光子的能量E与波长λ(Lambda)与之具有反比关系E = h C / λ,所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。虽然锐钛矿需要略多的能量来激发,但是同样的锐钛矿的二氧化钛光触媒具有更强的氧化能力,所以被更为广泛的使用。有研究表明接近7nm粒径时,锐钛矿要比金红石更为稳定,这也是很多纳米光触媒采用锐钛型的原因。纳米二氧化钛(光触媒)广泛应用于室内空气净化、污水处理、涂料、化妆品、塑料、纺织品、陶瓷、玻璃、脱腥嗅、消毒杀菌等领域。例如:在养殖业可用来预防各种动物传播疫病;在纺织业可制作出多种功能纤维,如抗紫外线型、抗菌除臭型、远红外线反射型、拒水防污型等多功能的纺织产品;在油漆领域可制出着色很强的轿车金属闪光面漆和防锈漆;在涂料领域通过添加该产品可制出具有消毒杀菌和空气净化等功能的涂料产品