蓝色TiO2纳米材料的制备及其光催化性能文献综述

 2021-09-25 01:09

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文献综述

工业化的高速推进不仅促进了社会的进步,也引发了诸如环境污染和能源危机等重大问题,尤其是空气污染和水污染,直接影响着人们的生活。资源节约型和环境友好型能源替代传统能源有利于解决这两大问题,太阳能因其清洁、无污染、储备丰富,被作为最佳的候选能源,因此提高太阳的利用率已成为各领域最热门的课题。光催化领域研究的内容是将太阳能经过半导体材料直接为化学反应提供动力。锐钛矿型二氧化钛作为一种稳定、无毒、光响应能力强的半导体材料,成为该领域研究的热门材料。

1.二氧化钛晶体结构

二氧化钛(TitaniumDioxide或Titania)俗称钛白粉,分子式为TiO2。二氧化钛以锐钛矿(anatase)、金红石(rutile)、板钛矿(brookite)三种晶型存在于自然界中,其中板钛矿是最不稳定的存在形态,金红石是最稳定的存在形态,锐钛矿和板钛矿在一定条件下会向金红石转变[1,2]。由于金红石型和锐钛矿型具有较好的催化活性,所以对它们的研究较为广泛。无数个钛氧八面体(TiO6)组成了这两种结构。其中,每个TiO6是由6个O2-围绕Ti4 所组成。但两者的TiO6八面体的性质存在差异,从而导致其内部结构的不同,因此催化性能及稳定性方面也有所不同。

2.二氧化钛制备方法

3.

二氧化钛的研究已成为目前研究的热门课题之一,为获得稳定、低成本、高性能二氧化钛材料,各类方法被开发用于合成二氧化钛。同时,随着纳米材料制备技术的不断发展,其研究方向也逐渐向纳米尺寸转移。目前,用于合成二氧化钛的方法主要有:水热法、溶剂热法、溶胶-凝胶法、微乳液法等。

水热法是指以水为溶剂,在密封的压力容器中进行的高温高压反应,该法来源于自然界中热液成矿过程中晶体的生长。其优势在于:合成的晶体具有晶面,热应力较小,内部缺陷少。但是,高温加水反应加剧水解速度,结晶速度增加,对于晶体形貌、晶面暴露面比例不易控制。目前,主要是通过改变钛源种类、合成温度、水解时间、溶液pH以及添加一定量的修饰剂来控制二氧化钛的结构、组成和形貌。

溶剂热法反应所用反应溶液为有机溶剂,反应过程类似水热法反应。此外,因为所使用的有机溶剂的沸点较水高,所以溶剂热法反应温度高于水热反应的温度,这样更易于控制产物的形貌及结构。因此,溶剂热法被科学研究者们广泛用于合成高分散性且粒径均一的TiO2晶体材料。

溶胶-凝胶(Sol-Gel)法是以高化学活性组分的金属醇盐或无机金属盐为前驱体,通过依次形成溶胶和凝胶,最终得到产品的方法。反应物在一定的溶剂中分散形成液体,再进行醇解或水解、进而缩合,形成稳定的透明溶胶;溶胶经过一定的处理使其陈化,胶体粒子聚合成稳定的凝胶,凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。溶胶-凝胶法反应方程式[3]:

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