納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦的光催化應用

基本原理

為了解半導體光化學原理，需要討論三種作用機理：光礦化、光shā菌與光誘導超親水性。納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦是一種光敏半導體，可在吸收近紫外區(qū)的電磁波。固態(tài)形式下，價帶與導帶之間的能差分別為金紅石3.05eV、銳鈦礦3.29eV，分別對應的吸收光譜波段為金紅石<415 nm、銳鈦礦<385nm。

光能的吸收使電子從價帶躍遷至導帶（圖6）。電子及同時生成的正電空穴能夠移動到固體表面，參與氧化還原反應。例如，水分子通常被吸附至二氧化鈦表面，經(jīng)氧化生成OH?自由基。這些自由基的氧化性要遠高于強氧化劑臭氧或氯氣。另一方面，氧氣被還原生成超氧陰離子（O?-?），且經(jīng)進一步還原生成過氧化陰離子（O?2-）。這些陰離子具有中度氧化能力。所有這些氧化物可完全將有機化合物氧化為二氧化碳和水。與金紅石形式相比，銳鈦礦形式要求更高的光能量，但具有更強的光催化活性。這是由于銳鈦礦的激發(fā)態(tài)時間更長且銳鈦礦表面更能吸附陰離子形態(tài)的氧。

光礦化

根據(jù)不同的反應條件，有機化合物可完全礦化為下述產(chǎn)物：
有機分子 → CO?+H?O
有機氮化合物 → HNO?+CO?+H?O
有機硫化合物 → H?SO?+CO?+H?O
有機氯化合物 → HCl+CO?+H?O
由于反應發(fā)生在固體表面，向晶體表面的擴散是一個反應速率控制步驟。在液相反應中，會生成各種中間分解產(chǎn)物。在某些情況下，這些中間產(chǎn)物會鈍化催化劑表面。采用納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦和紫外光的參考文獻所述的反應包括苯酚、氯酚、硝基芳烴、芳香胺、農(nóng)業(yè)廢水及水中的油的完全分解。

采用納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦的對氯苯酚（4-CP）與二LU乙酸（DCA）的分解

如上圖顯示了在500W高壓汞蒸氣燈輻照下采用納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦的對氯苯酚與二LU乙酸的典型分解速率（濃度：1g/l二氧化鈦催化劑；120 mg/l氯代烴；TOC=總有機碳）。

光shā菌
如上所述，在紫外光照射下，二氧化鈦表面會形成自由基。這些自由基還會攻擊微生物細胞，因此納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦能夠有效地用于抑制表面上或液體中的xì菌、病毒、藻類、酵母、霉菌及其他微生物的滋生。此外，納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦產(chǎn)品還可用于表面涂層，防止因藻類（如藍綠藻）大量滋生導致的變色。

光誘導超親水性
另一個要討論的作用機理是涂有TiO?薄膜的表面具有的光誘導超親水性：紫外光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，這些空穴能夠?qū)蜓踉友趸癁檠鯕?，由此形成氧空穴。吸附水分后，羥基化反應開始，表面變親水性。經(jīng)過測量，水接觸角小于5°，表示此種表面具有超親水性。在黑暗條件下，會發(fā)生逆向反應。此種表面的自清潔和防霧原理是表面積聚的塵垢可輕松用水沖掉。