[发明专利]一种高催化性质TiO2纳米粉末/多孔材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种TiO₂纳米粉末/多孔材料及其制备方法和其在光催化领域的应用。

背景技术

随着科技的不断进步和工业的快速发展，地球上有限的水资源日益受到严重的污染，给人类的健康和生活带来了潜在的危胁，也使人类逐渐认识到保护水资源的重要性[陈琳，二氧化钛光催化材料及其改性技术研究进展，2013]。多年来人们一直在寻找和尝试治理水环境污染的办法，比如采用物理法、化学法和生物处理法等。物理法包括沉降、过滤等，此类方法主要通过物理作用分离、回收污水中呈悬浮状态的污染物和胶体杂质，而对于水中的溶解性污染物以及金属离子，如工业生产流程中广泛使用的铅离子、汞离子、镉离子、砷离子等，均难以达到有效去除的目的；以汽提、吹脱、离子交换等为代表的化学法主要通过化学反应和传质作用来分离、去除污水中呈溶解状态的污染物，但此类方法处理成本高，且不可避免地带来二次污染；生物法主要是通过微生物的代谢作用使污水中呈溶解、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物转化为稳定、无害的物质。此类方法处理周期较长且对处理温度、时间以及水体中有机物含量等有较高的要求。因此，研究开发新型的污水深度处理方法有非常重要的意义。

光催化氧化技术和前述水污染物治理方法相比，具有能耗低、反应条件温和、操作简便、无二次污染、可直接利用太阳能等优势。将清洁无污染、取之不尽的太阳光能与水污染治理与保护结合起来，利用光催化反应和反应工程设备来开展去除污水中的污染物的研究具有深远的战略意义。

TiO₂（俗称钛白粉）是一种重要金属氧化物半导体材料，具有化学稳定性好、催化活性强、廉价无毒、耐光腐蚀、对有机污染物选择性小和矿化程度较高等特点，其光催化性能和化学稳定性优于ZnO、WO₃和CdS等其他光催化剂。自1972 年Fujishim等[Fujishima A, Honda K. Nature. 1972]发现TiO₂作为光催化剂可用于分解水产氢以来，关于TiO₂在有机物降解方面的研究也逐渐深入，成为环境领域研究的热点。

TiO₂有板钛矿、金红石和锐钛矿三种晶型，其中用于光催化的主要有两种晶型，即锐钛矿型和金红石型。由于TiO₂禁带宽度较大，最具光催化活性的锐钛矿型带宽Eg 为3.2～3.5 ev，仅在波长小于387 nm 的紫外光照射条件下表现较好的反应活性和稳定性。紫外光在太阳光成分中所占比例仅为3%～5%，从而极大地限制了TiO₂对太阳能的利用率。另外，光激发产生电子与空穴的简单复合率较高，导致量子利用率低，也制约着TiO₂光催化效率的大幅提高。为了解决TiO₂光催化剂存在的上述问题，提高可见光催化效率，除了考虑半导体光催化剂自身性质（如晶型、粒径以及焙烧温度等）对光催化活性影响外，人们对TiO₂光催化剂进行了大量的改性试验研究。为此，研究人员主要采用改进制备工艺、控制形貌和尺寸、表面改性等技术手段，为提高TiO₂光催化材料的效率和性能，进而提高其光催化活性进行了各种不同的尝试。但是，到目前为止从实际应用的角度来看，各种研究结果在提高TiO₂的光催化性能方面都还不够理想。

研究人员还研究了TiO₂晶体结构对光催化性能的影响。早期研究[沈杭燕等.TiO₂ 粉末催化剂催化降解室内空气中有机污染物,1998]表明，纯的锐钛矿比金红石光催化效果好，这是由金红石和锐钛矿晶体结构差异造成的，金红石型TiO₂微显斜方晶，带隙3.0 eV，锐钛矿型TiO₂呈明显的斜方晶畸变，带隙3.2 eV，而锐钛矿的较高的禁带宽度使其电子-空穴具有更正或更负的电位，因而有更高的氧化能力，锐钛矿表面对H₂O、O₂吸附能力也较金红石的强，导致其光催化活性较高。因此以前相关研究者往往把注意力集中在如何抑制锐钛矿的TiO₂向金红石相转变。