纳米级二氧化钛的光催化应用

纳米二氧化钛的光催化基本原理

为了解半导体光化学原理，需要讨论三种作用机理：光矿化、光SHA菌与光诱导超亲水性。

二氧化钛是一种光敏半导体，可在吸收近紫外区的电磁波。固态形式下，价带与导带之间的能差分别为金红石3.05eV、锐钛矿3.29eV，分别对应的吸收光谱波段为金红石<415 nm、锐钛矿<385nm。

光能的吸收使电子从价带跃迁至导带（图6）。

电子及同时生成的正电空穴能够移动到固体表面，参与氧化还原反应。

例如，水分子通常被吸附至二氧化钛表面，经氧化生成OH•自由基。这些自由基的氧化性要远高于强氧化剂臭氧或氯气。另一方面，氧气被还原生成超氧阴离子（O₂-•），且经进一步还原生成过氧化阴离子（O₂2-）。这些阴离子具有中度氧化能力。所有这些氧化物可完全将有机化合物氧化为二氧化碳和水。与金红石形式相比，锐钛矿形式要求更高的光能量，但具有更强的光催化活性。这是由于锐钛矿的激发态时间更长且锐钛矿表面更能吸附阴离子形态的氧。

光矿化
根据不同的反应条件，有机化合物可完全矿化为下述产物：
有机分子 → CO₂+H₂O
有机氮化合物 → HNO₃+CO₂+H₂O
有机硫化合物 → H₂SO₄+CO₂+H₂O
有机氯化合物 → HCl+CO₂+H₂O
由于反应发生在固体表面，向晶体表面的扩散是一个反应速率控制步骤。在液相反应中，会生成各种中间分解产物。在某些情况下，这些中间产物会钝化催化剂表面。

采用AEROXIDE® TiO₂ P 25和紫外光的参考文献所述的反应包括苯酚、氯酚、硝基芳烃、芳香胺、农业废水及水中的油的完全分解。

图7显示了在500W高压汞蒸气灯辐照下采用AEROXIDE® TiO₂P 25的对氯苯酚与二LU乙酸的典型分解速率（浓度：1g/l二氧化钛催化剂；120 mg/l氯代烃；TOC=总有机碳）。

光SHA菌
如上所述，在紫外光照射下，二氧化钛表面会形成自由基。这些自由基还会攻击微生物细胞，因此纳米结构二氧化钛能够有效地用于抑制表面上或液体中的XI菌、病毒、藻类、酵母、霉菌及其他微生物的滋生。此外，AEROXIDE® TiO₂产品还可用于表面涂层，防止因藻类（如蓝绿藻）大量滋生导致的变色。

光诱导超亲水性
另一个要讨论的作用机理是涂有TiO₂薄膜的表面具有的光诱导超亲水性：紫外光激发产生电子空穴对，这些空穴能够将桥氧原子氧化为氧气，由此形成氧空穴。吸附水分后，羟基化反应开始，表面变得亲水性。经过测量，水接触角小于5°，表示此种表面具有超亲水性。在黑暗条件下，会发生逆向反应。此种表面的自清洁和防雾原理是表面积聚的尘垢可轻松用水冲掉。

示例应用
光催化活性具有几种应用潜力。一本名为《TiO₂光催化—基本原理与应用》（A. Fujishima, K. Hashimoto与T. Watanabe合著，1999年由东京Bkc, Inc.出版）结合日本市场给出了很好的应用总结。