三维有序氧化钛中空球薄膜的制备及其光电性能-
第29卷第11期2015年11月
材料研究学报
CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH
V ol.29No.11
November2015三维有序氧化钛中空球薄膜的制备
及其光电性能*
陈爱莲1唐昭芳2陈杨2,3陈志刚3
1.常州大学机械工程学院常州213164
2.常州大学材料科学与工程学院常州213164
3.苏州科技学院江苏省环境功能材料重点实验室苏州215009
摘要为了提高染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电转化效率,以聚苯乙烯微球(290-300nm)自组装形成的胶体晶体为牺牲
模板制备了三维有序氧化钛中空球(3DOHS-TiO2)薄膜材料,考察了以P25-TiO2/3DOHS-TiO2双层膜为光阳极的电池的光
电转化特性。扫描电镜结果表明:3DOHS-TiO2样品中的TiO2中空球呈紧密六方排列,其球心距为260-270nm,壁厚为
40-50nm,相邻的TiO2中空球彼此之间通过孔洞相互连接;透射电镜结果表明:TiO2中空球体由尺寸约为10nm的锐钛矿相
氧化钛颗粒组成,其壳壁上有由颗粒间堆积形成的介孔。光电性能测试结果表明:P25-TiO2/3DOHS-TiO2/DSSC的光电转化
效率可达6.98%,明显优于常规的P25-TiO2/DSSC(4.32%),其原因是双层膜光阳极中的3DOHS-TiO2薄膜对太阳光散射和捕
捉能力的增强。
关键词无机非金属材料,氧化钛,三维有序结构,胶体晶体模板,染料敏化太阳能电池
分类号TB321,O643文章编号1005-3093(2015)11-0835-08
Synthesis and Photovoltaic Performance of Three-
dimensional Ordered TiO2Hollow Sphere Films
CHEN Ailian1TANG Zhaofang2CHEN Yang2**CHEN Zhigang3
1.School of Mechanical Engineering,Changzhou University,Changzhou213164,China
2.School of Materials Science and Engineering,Changzhou University,Changzhou213164,China
3.Jiangsu Key Laboratory for Environment Functional Materials,Suzhou University of Science and Technology,
Suzhou215009,China
*Supported by National Natural Science Foundation of China No.51205032,the Natural Science Foundation of Ji-
angsu Province No.BK2012158,the Applied Basic Research Project of Suzhou City No.SYG201316,and the Key
Laboratory for Environment Functional Materials of Jiangsu Province No.SJHG1302.
Manuscript received October16,2014;in revised form November6,2014.
**To whom correspondence should be addressed,Tel:(0519)86330066,E-mail:cy.jpu@https://www.wendangku.net/doc/ce9642274.html,
ABSTRACT To improve the properties of dye-sensitized solar cells(DSSC),three-dimensional ordered
TiO2hollow spheres(3DOHS-TiO2)films were synthesized using polystyrene spheres(290-300nm)colloi-
dal crystals as sacrificial templates.The photoelectric conversion performances of the DSSC based on
double-layered films P25-TiO2/3DOHS-TiO2were investigated.SEM results show that the orderly ar-
ranged TiO2hollow spheres form hexangular and square arrays,and the hollow spheres connect to their
neighbors through pores.The center-center spacing of the3DOHS-TiO2is260-270nm,and the thickness
of the hollow shells is40-50nm.TEM results show that the shell is composed of a lot of tiny particles re-
sulting in a mesoporous framework.The mean size of the anatase TiO2nanoparticles of the shells is
ca.10nm as estimated from the HRTEM image.By compared with the P25-TiO2nanocrystalline DSSC
(η=4.32%),the DSSC based on the double-layered films P25-TiO2/3DOHS-TiO2exhibit a higher photo-
electric performance(η=6.98%).The enhancement of the cell performance can be attributed to the en-
*国家自然科学基金项目51205032，江苏省自然科学基金项目BK2012158，苏州市应用基础研究计划项目SYG201316和江苏省环境功能材料重点实验室开放课题SJHG1302资助项目。
2014年10月16日收到初稿;2014年11月6日收到修改稿。
本文联系人:陈杨
材料研究学报29卷
hancement of light harvesting of the light scattering ability of the layer 3DOHS-TiO 2.
KEY WORDS inorganic non-metallic materials,TiO 2,three-dimensional ordered structure,colloidal
crystal template,dye-sensitized solar cell
染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSC)是一种模拟自然界植物的光合作用将太阳能装换成电能的光电转换装置,其基本工作原理[1,2]是:用宽带隙氧化物薄膜作为光阳极,在其表面吸附一层对可见光有很强吸收且能级与氧化物相匹配的染料,通过染料分子对太阳光进行吸收并把光生电子传输到氧化物导带,实现有效的电荷分离,从而在外电路到对电极产生光电流。DSSC 主要由光阳极、电解质和对电极三部分组成[3]。其中光阳极是经染料(如多吡啶钌的配合物)敏化的半导体薄膜,利用其高表面积吸附敏化层为电荷分离和传输的载体,被视为整个电池体系的核心。常见的氧化物光阳极材料[4-8],包括TiO 2、ZnO 、NiO 2、SnO 2、SnO 2/MgO 和CdO 等。根据光电转化效率、经济性和使用性,锐钛矿TiO 2纳米晶多孔薄膜仍是目前最出色、最有
应用前景的DSSC 光阳极材料。锐钛矿相TiO 2光阳极的性质[3],主要取决于氧化钛的晶粒尺寸、表面结构、孔分布的有序度、比表面积、孔尺寸及孔径分布、能带结构等因素。薄膜的微观结构特性对其采光效率、光散射性能、电子输运特性及界面电荷转移和复合特性以及最终的光电转化效率等,均有重要的影响。关于TiO 2/DSSC 光阳极薄膜材料的研究热点,主要集中在有序TiO 2纳米晶阵列[9-13](如纳米管、纳米棒、纳米线等)、分级三维有序大孔TiO 2薄膜[14,15]、超高表面积的TiO 2介孔薄膜[16,17]和掺杂TiO 2纳米晶薄膜[18,19]等方面。近年来,研究人员将中空氧化钛微球(TiO 2hol-low spheres,TiO 2-HS)材料引入DSSC 光阳极体系,在较大程度上提高了电池的效率。Zhang 等[20]先以碳球为模板制备了外径约500nm 、壳厚约25nm 的锐钛矿相TiO 2-HS,然后将其埋入商用Degussa P25氧化钛颗粒中组成复合光阳极薄膜,使电池的光电转化效率提高了近14%,并将其归因于薄膜光散射能力的增强。Yu 等[21]考察了由TiO 2-HS(外径800-1000nm,壳厚300-700nm)和P25颗粒所组成的双层膜光阳极DSSC 的光电转换特性,这种双层膜光阳极电池的效率比常规P25-TiO 2/DSSC 提高了近22%。Yu 等[22]还进一步探索了基于TiO 2-HS/碳纳米管复合薄膜DSSC 的光电性能。但是需要指出的是,上述光阳极薄膜中的TiO 2-HS 均是无序排列,而关于有序TiO 2-HS 光阳极薄膜电池体系的研究却鲜见报道。本文先以单分散的聚苯乙烯(PS)胶体颗粒为基本结构单元,采用垂直沉积法构筑高质量PS 胶体晶体模板,进一步结合浸渍-煅烧工艺制备三维有序氧化钛中空球(Three-dimensional ordered TiO 2hol-low spheres,3DOHS-TiO 2)薄膜材料。在相同的测试环境下考察以P25-TiO 2和3DOHS-TiO 2双层膜为光阳极的电池(P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2/DSSC)与常规P25-TiO 2/DSSC 性能的不同。
1实验方法
1.1实验用原料
苯乙烯(St)单体,用质量分数为5%的NaOH 溶液反复洗涤除去除阻聚剂,经无水CaCl 2干燥后置于冰箱中低温保存、备用。其他试剂还有:丙烯酸(AA)、过硫酸钾(KPS)、氨水、浓硫酸、双氧水、异丙醇、曲拉通-100、乙酰丙酮、无水乙醇和四氯化钛(TiCl 4),以及P25-TiO 2浆料、Pt 浆料、N719染料、电解液(主要成分:0.05mol/L I 2,0.5mol/L LiI)和掺氟氧化锡(FTO)导电玻璃。
1.2样品的制备和表征
采用三步法制备3DOHS-TiO 2薄膜材料,简明工艺过程如图1所示。
第一步,制备PS 乳胶粒子。用无皂乳液聚合法制备单分散PS 微球:向带有冷凝管和氮气导管的四口瓶中依次加入单体(St,5g)、稳定剂(AA,0.75g)和50mL 去离子水,在磁力搅拌条件下通氮气驱氧20min 。随后用油浴将其加热至70℃,缓慢滴加引发剂水溶液(取0.125g KPS 溶于50mL 去离子水中,用氨水将溶液的pH 值调至8)引发聚合,在磁力搅拌和氮气保护条
图13DOHS-TiO 2薄膜材料的制备工艺示意图
Fig.1Schematic illustration of the procedure for 3DOHS-TiO 2
films
836
11期件下7h 后关闭冷凝水,自然冷却至室温,即可得到PS 乳胶粒子分散液。第二步,自组装胶体晶体模板。先用Piranha 溶液(H 2SO 4与H 2O 2的体积比为7:3)对载玻片衬底进行亲水处理,并将衬底依次浸入异丙醇、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗,备用。参照文献[23]中的方法,在环境温度为35℃、相对湿度为50%的条件下用重力沉积法在载玻片上自组装获得PS 胶体晶体模板。随后将模板在105℃预处理30min,以强化模板的结构稳定性。第三步,去除氧化钛前驱体的浸渍及模板。先在冰水浴条件下用注射器将适量TiCl 4溶液缓慢滴入去离子水中,配制成浓度为0.2mol/L 的TiCl 4溶液。将经过预处理的模板浸入到TiO 2前躯体溶液
中,充分浸渍12h 后将模板/水合氧化钛复合物取出,将其完全暴露在空气中直至完全干燥,整个过程在通风橱内进行。然后将模板置于程序控温电阻炉中以2℃/min 的升温速率缓慢加热至500℃,保温2h 后随炉冷却至室温,即可得到3DOHS-TiO 2薄膜材料样品。用JSM-6360LA 扫描电子显微镜(SEM)观察胶体晶体模板的有序化结构;用4800型场发射扫描电子显微镜(FESEM)和JEM-2100型高分辨透射电镜(HRTEM)对薄膜样品进行结构表征;用D/max 2500PC X 射线衍射仪(XRD)分析样品的物相结构;用SDT Q600热重示差扫描量热仪对样品进行热分析(TGA);用ASAP2010C 型表面孔径分析仪测定样品的比表面积及孔分布。1.3电池的组装与测试用超薄手术刀片小心地将3DOHS-TiO 2薄膜从衬底表面刮下,刮下的薄膜样品仍由规整有序的氧化钛中空球所组成(图1)。参照文献[14]中的方法分别取少量P25-TiO 2和3DOHS-TiO 2置于玛瑙研钵中,加入适量的去离子水、乙酰丙酮和曲拉通乳化剂,搅拌均匀后得到用于构建光阳极的P25-TiO 2和3DOH-TiO 2浆料。为了制备P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2双层膜光阳极,先用刮涂法在FTO 导电玻璃表面均匀涂敷一层P25-TiO 2浆料,再涂敷一层3DOH-TiO 2浆料。干燥后以2℃/min 的速率缓慢升温至500℃,保温2h 后随炉冷却,当温度降至80℃时随即将其置于0.5mmol /L 的N719染料中浸泡24h,取出后用乙醇清洗后晾干。经布鲁克Dektak XT 型台阶仪测定双层膜的总厚度约为14-15μm,其中3DOHS-TiO 2散射层的厚度约为5-6μm 。按照相同的步骤在FTO 导电玻璃上制备总厚度相当的P25-TiO 2光阳极,并参照文献[24]中所示的方法制备Pt 对电极。
测试前,将吸附染料后的光阳极与对电极组装成三明治结构,向电极间注入电解液(由0.5mol/L LiI,0.05mol/L I 2,0.5mol/L 4-叔丁基吡啶,0.3mol/L 1,2-二甲基-3-丙基碘化咪唑的乙腈溶液组成)。在模拟太阳光(AM 1.5,100mW/cm 2)条件下进行光电性能测试,有效光照面积为0.25cm 2。用Keithley-2400型数字电源表测试电池的输出光电流密度-电压(J-V )曲线,并得到电池的开路电压(V oc )、短路电流
(J sc )、填充因子(FF )和光电转化效率(η)等光电性能参数。其中η定义为电池的最大输出功率和输入功率之比。
2结果和讨论
2.1样品的表征
单分散胶体颗粒作为胶体晶体的最基本结构单元,是制备胶体晶体的基础,而高质量的胶体晶体模板则是合成三维有序材料的关键。图2给出了PS 胶体晶体模板的SEM 像。从图2a 可以看出,模板表
面的PS 胶体颗粒呈大面积规则有序排列,只有少量的空位缺陷。从高倍SEM 像(图2b)可更加直观地观察到,本文制备的PS 微球具有高度的单分散性,其粒径在290-300nm 。模板中的PS 微球自组装形成六方有序排列,具有最低自由能和最小空隙率的热力学稳定结构,对应于面心堆积结构的(111)面。由模板的截面SEM 像(图2c 和d)可以看出,模板中胶体微球自上而下均以最紧密堆积形式排列,可估
算出模板的层数为25-30层。
图3给出了胶体晶体模板和模板/水合TiO 2前驱体的TGA 曲线。可以看出,样品的质量损失发生在300-480℃,主要归因于聚苯乙烯分子链的断裂及模板的分解;当温度高于500℃后TGA 曲线基本走平,表明模板已经完全去除。经不同温度煅烧的氧化钛有多种晶型(锐钛矿、板钛矿、金红石),而氧化钛基DSSC 通常选择锐钛矿TiO 2纳米晶多孔薄膜作为光
阳极材料。因此,为了确保复合物中的PS 模板完全去除且得到高纯度的锐钛矿型氧化钛,本文将煅烧温度确定在500℃。
由煅烧后3DOHS-TiO 2样品的XRD 谱(图4)可知,在25.3°、37.9°、48.1°、53.9°、55.1°、62.7°、68.8°、70.1°和75.1°位置处出现了尖锐的衍射峰,分别对应锐钛矿TiO 2的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)和(215)晶面(JCPDS 21-1272)。这表明,样品的主晶相为锐钛矿相氧化钛,且特征峰尖锐,没有其他
陈爱莲等:三维有序氧化钛中空球薄膜的制备及其光电性能
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材料研究学报29卷
杂相峰,说明在本文制备的样品纯度高、结晶完整。图5给出了3DOHS-TiO 2样品表层和截面的FE-SEM 像。由图5a 可知,3DOHS-TiO 2样品较好地复制了胶体晶体原模板的有序结构,TiO 2中空球同样呈紧密六方排列;从高倍电镜照片(图5b)可以观察到样品表面存在孔洞以及个别破碎的中空球(如箭头所示),进一步证实样品由中空球组成。从截面形貌(图5c)可见,样品内部也由氧化钛中空球组成。用高倍FESEM 像(图5d)中所示沿水平方向破碎的中空球(如箭头所示),一方面可估算出样品中TiO 2中空球的壳厚约40-50nm,还可观察到中空球彼此之
间在相互接触的区域通过孔洞相互连接。进一步观察可见,样品表层中空球的球心间距在260-270nm,略低于与原模板中PS 微球的中心间距(290-300nm),说明在煅烧去除模板过程中三维有序中空球骨架产生了少量收缩。本课题组在制备三维有序大孔CeO 2材料[25]时也发现了类似的现象。综合上述分析结果,本文制备的氧化钛薄膜材料由TiO 2中空球所组成,且在三维空间内具有高度有序结构。此外,在利用SEM 观察胶体晶体模板的过程中
图2胶体晶体模板表层和截面的SEM 像
Fig.2SEM images of colloidal crystal templates,(a,b)top view image,(c,d)cross-section
image
图3胶体晶体模板和模板/氧化钛前驱体复合物的TGA 曲线
Fig.3TGA curves of colloidal crystal templates (a)and template/TiO 2-precursor composites (b)
图43DOHS-TiO 2样品的XRD 谱
Fig.4XRD spectrum of 3DOHS-TiO 2samples
０１００２００３００４００５００６００７００８０００２０４０６０
８０
１００（ｂ）Ｗｅｉｇｈｔ ｌｏ
ｓｓ ／ ％
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ／ ｏＣ（ａ）
２０３０４０５０６０７０８０
（２１５
）
（２
２０
）（１１６
）２q ／ （ｏ）
（１０１
）
（００４）（２００）
（１０５
）（２０４）
（２１１）
838
11期发现,在本实验条件下所得模板在极个别局域内的PS 微球呈四方有序排列(图6a),在3DOHS-TiO 2样品表面局部也相应地观察到了呈四方有序排列的TiO 2中空球(图6b)。现有研究结果[26]表明,乳胶颗粒间进行自组装的驱动力或相互作用力,包括重力、表面张力、毛细管力、静电力或磁场力等,都将对二维或三维有序胶体晶体的结构具有重要影响。图7给出了3DOHS-TiO 2样品的TEM 像及选区电子衍射花样,以进一步分析样品的微观结构特征。在低倍TEM 像(图7a)中可以观察到规则条纹状结构。这表明,样品在整体上规则有序,从样品边缘的TEM 像(图7b)中可以清晰地观察到3DOHS-TiO 2样品由氧化钛中空球所组成。由高倍TEM 像(图7c)中可进一步看出,TiO 2中空球是由10nm 左右的纳米颗粒所组成,且颗粒间存在不规则的堆积孔(如箭头所示,孔隙约5nm)。此外,在样品的HR-TEM(图7d)中能观察到清晰的晶格条纹线,其面间距约为0.35nm,与锐钛矿相氧化钛JCPDS 卡片(21-1272)中(101)晶面的面间距[27]基本一致。插入的SAED 花样中则出现一组清晰的多晶电子衍射环,由内向外的五个衍射环分别对应于锐钛矿相TiO 2的
(101)、(004)、(200)、(105)和(204)晶面。
由图8中的3DOHS-TiO 2样品的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布曲线可见,样品具有Ⅳ型吸附平衡等温线。在低相对压力区,可能由于样品中有大孔(TiO 2中空球的内腔)而使等温线较为平直[25]。而在高相对压力区出现了由毛细凝聚现象所产生的H2型滞后环,可能是在脱附过程中氮气分子从中空
图6四方排列胶体晶体模板和3DOHS-TiO 2样品的FESEM 像
Fig.6FESEM images of (a)colloidal crystal templates and (b)3DOHS-TiO 2samples by square arrays
图53DOHS-TiO 2样品表层和截面的FESEM 像
Fig.5FESEM images of 3DOHS-TiO 2samples,(a,b)top view images,(c,d)cross-section
images
陈爱莲等:三维有序氧化钛中空球薄膜的制备及其光电性能
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球孔隙处的蒸发受到了壳层中介孔的延缓所致[28]。这表明,样品中有介孔,与HRTEM 观察结果(图7c)吻合。样品的BET 比表面积为59.8m 2/g 。由插入的孔径分布曲线所示,由等温线脱附支计算得到的孔径分布较宽,其孔径多集中于约4nm 和17nm 处。图9给出了在相同测试条件下,分别使用P25-TiO 2和P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2双层膜作为光阳极的染料敏化太阳能电池的光电流密度-电压特征曲线。结合表1中所示电池的光电转化参数可以看出,P25-TiO 2/DSSC 和P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2/DSSC 表现出相当的开路电压V oc ,分别为0.77V 和0.78V 。
在双层膜光阳极中引入3DOHS-TiO 2散射层后,电池
的短路电流密度J sc 增至14.31mA/cm 2,明显高于常规的P25-TiO 2/DSSC(9.48mA/cm 2)。这使得P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2/DSSC 的光电转化效率η达到6.98%,电池效率比P25TiO 2/DSSC (4.32%)提高了近62%。这表明,双层光阳极中的3DOHS-TiO 2散射层
对于改善DSSC 性能方面具有明显作用。可能的原因是:在P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2双层膜复合光阳极中,上层的3DOHS-TiO 2薄膜一方面能增强光阳极薄膜对太阳光的散射和捕获吸收能力[21],另一方面可借助其高比表面积和存在相连孔结构的特性增大
图73DOHS-TiO 2样品的TEM 像和选区电子衍射花样
Fig.7TEM images and SAED pattern (inset)of 3DOHS-TiO 2
samples
图83DOHS-TiO 2样品的N 2吸附-脱附等温线及孔径分布曲线Fig.8N 2adsorption-desorption isotherm and BJH pore-
size distribution plot (inset)of 3DOHS-TiO 2samples ０．００．１０．２０．３０．４０．５０．６０．７０．８０．９１．０
２４６８１０１２１４
Ｑｕａ
ｎｔｉｔ
ｙ ａｄｓ
ｏｒｂｅ
ｄ ／ ｃｍ３?ｇ－１Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ （Ｐ／Ｐｏ）
图9
电池的光电流密度-电压特征曲线
Fig.9Current density-voltage characteristics of DSSCs ０．００．１０．２０．３０．４０．５０．６０．７０．８
１１１１ Ｃｕ
ｒｒｅｎｔ
ｄｅｎ
ｓｉｔｙ
／ ｍＡ／
ｃｍ
２
Ｖｏｌｔａｇｅ ／ Ｖ
840
11期光阳极对染料分子的吸附能力,加快电解液的渗透扩散过程。下层中的P25-TiO 2纳米颗粒则保证光阳极与FTO 衬底之间具有良好的导电能力[29],使P25-TiO 2/
3DOHS-TiO 2/DSSC 表现出良好的光电转化能力。3结论以单分散聚苯乙烯微球自组装形成的胶体晶体为牺牲模板,结合浸渍-煅烧工艺可制备具有三维有序结构特征的TiO 2中空球(3DOHS-TiO 2)薄膜材料。所制备的3DOHS-TiO 2样品由TiO 2中空球紧密排列
构成,相邻的中空球之间通过孔洞相接;样品中TiO 2中空球的球心距为260-270nm,壁厚为40-50nm,球体由尺寸约在10nm 的锐钛矿相TiO 2颗粒所组成。在相同测试条件下,P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2双层膜光阳极染料敏化太阳能电池的光电转化效率可达6.98%,比以常规P25-TiO 2纳米晶颗粒为光阳极的电
池(4.32%)的效率提高了近62%。参考文献1 B.O'Regan,M.Gr?tzel,A low-cost,high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO 2films,Nature,353(6346),737(1991)2 A.Yella,H.Lee,H.N.Tsao,C.Yi,A.K.Chandiran,M.Nazeerud-din,E.W.Diau,C.Yeh,S.M.Zakeeruddin,M.Gr?tzel,Porphyrin-sensitized solar cells with Cobalt (II/III)-based redox electrolyte ex-ceed 12percent efficiency,Science,334,629(2011)3 A.Hagfeldt,G.Boschloo,L.Sun,L.Kloo,H.Pettersson,Dye-Sen-sitized Solar Cells,Chem.Rev.,110(11),6595(2010)4 A.B.F.Martinson,J.W.Elam,J.T.Hupp,M.J.Pellin,ZnO nano-tube based dye-sensitized solar cells,Nano Lett.,7(8),2183(2007)5 B.Tan,E.Toman,Y .Li,Y .Y .Wu,Zinc stannate (Zn 2SnO 4)dye-sen-sitized solar cells,J.Am.Chem.Soc.,129(14),4162(2007)6H.Zheng,Y .Tachibana,K.Kalantar-zadeh.Dye-sensitized solar cells based on WO 3,Langmuir,26(24),19148(2010)7S.Mori,S.Fukuda,S.Sumikura,Y .Takeda,Y .Tamaki,E.Suzuki,T.Abe,Charge-transfer processes in Dye-sensitized NiO solar cells,J.Phys.Chem.C,12(41),16134(2008)8P.Tiwana,P.Docampo,M.B.Johnston,H.J.Snaith,L.M.Herz,Electron mobility and injection dynamics in mesoporous ZnO,SnO 2,and TiO 2films used in dye-sensitized solar cells,ACS Nano,5(6),5158(2011)9K.Fan,W.Zhang,T.Peng,J.Chen,F.Yang,Application of TiO 2fu-siform nanorods for dye-sensitized solar cells with significantly im-proved efficiency,J.Phys.Chem.C,115(34),17213(2011)10B.Liu,E.S.Aydil,Growth of oriented single-crystalline rutile TiO 2nanorods on transparent conducting substrates for Dye-sensitized solar cells,J.Am.Chem.Soc.,131(11),3985(2009)
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17F.Sauvage,D.Chen,https://www.wendangku.net/doc/ce9642274.html,te,F.Huang,L.Heiniger,Y .Cheng,R.A.Caruso,M.Graetzel,Dye-sensitized solar cells employing a sin-gle film of mesoporous TiO 2beads achieve power conversion effi-ciencies over 10%,ACS Nano,4(8),4420(2010)
18X.Zhang,F.Liu,Q.Huang,G.Zhou,Z.Wang,Dye-sensitized W-doped TiO 2solar cells with a tunable conduction band and sup-pressed charge recombination,J.Phys.Chem.C,115(25),12665(2011)
19W.Guo,Y .Shen,L.Wu,Y .Gao,T.Ma,Effect of N dopant amount on the performance of Dye-sensitized solar cells based on N-doped TiO 2electrodes,J.Phys.Chem.C,115(43),21494(2011)20Y .Zhang,J.Zhang,P.Wang,G.Yang,Y .Zhu,Anatase TiO 2hollow spheres embedded TiO 2nanocrystalline photoanode for dye-sensi-tized solar cells,Mater.Chem.Phys.,123,595(2010)21J.Yu,Q.Li,Z.Shu,Dye-sensitized solar cells based on double-lay-ered TiO 2composite films and enhanced photovoltaic performance,Electrochim.Acta,56,6293(2011)
22J.Yu,J.Fan,B.Cheng,Dye-sensitized solar cells based on anatase TiO 2hollow spheres/carbon nanotube composite films,J.Power Sources,196,7891(2011)
表1电池的光电转化性能参数
Table 1Photovoltaic properties of DSSCs
P25-TiO 2/DSSC P25-TiO 2/3DOHS-TiO 2/DSSC V oc /V 0.770.78J sc /(mA/cm 2)9.4814.31FF /%5963η/%
4.32
6.98
陈爱莲等:三维有序氧化钛中空球薄膜的制备及其光电性能
841
材料研究学报29卷
23J.Zhang,Z.Sun,B.Yang.Self-assembly of photonic crystals from polymer colloids,Curr.Opin.Colloid Interface Sci.,14,103(2009) 24 D.Kang,Y.Lee,C.Cho,J.H.Moon,Inverse opal carbons for
counter electrode of dye-sensitized solar cells,Langmuir,28,7033 (2012)
25CHEN Yang,TANG Zhaofang,ZHU Yajuan,YAO Chao,Synthe-sis,characterization and low-temperature reducibility of inverse opal three-dimensional ordered macroporous CeO2,Chinese Jour-nal of Materials Research,26(5),527(2012)
(陈杨,唐昭芳,祝雅娟,姚超,反蛋白石结构三维有序大孔CeO2的制备、表征及其低温还原性能,材料研究学报,26(5),527 (2012)
26YU Bing,CONG Hailin,XUE Lei,LIU Xuesong,CHEN Zhaojing, Fabrication and application progress of colloidal crystals,Chinese
Science Bulletin,59(9),752(2014)
(于冰,丛海林,薛蕾,刘学松,陈昭晶,胶体晶体制备与应用研究进展,科学通报,59(9),752(2014))
27ZHEN Yifan,LI Guohua,TIAN Wei,MA Chunan,In situ XRD study on the phase transformation of nanoanatase,Chinese Journal of Inorganic Chemistry,23(6),1121(2007)
(郑遗凡,李国华,田伟,马淳安,纳米锐钛矿相变的原位XRD 研究,无机化学学报,23(6),1121(2007))
28J.Wang,F.Li,H.Zhou,P.Sun,D.Ding,T.Chen,Silica hollow spheres with ordered and radially oriented amino-functionalized mesochannels,Chem.Mater.,21,612(2009)
29M.T.Wu,T.J.Chow,TiO2particles prepared by size control self-assembly and their usage on dye-sensitized solar cell,Microporous Mesoporous Mater.,196,354(2014)
842
二氧化钛及其应用
编辑本段
编辑本段应用特性 纳米TiO2的功能及用途 纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中。 2.1.杀菌功能 在紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准。在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。 1）纳米二氧化钛抗菌特点： 1 对人体安全无毒，对皮肤无刺激性。 2 抗菌能力强，抗菌范围广。 3 无臭味、怪味，气味小。 4耐水洗，储存期长。 5热稳定性好，高温下不变色，不分解，不挥发，不变质。
6即时性好，纳米二氧化钛抗菌剂仅需1h就能发挥效果，而其他银系抗菌剂效果则需约24h。 7纳米二氧化钛是一种永久性维持抗菌效果的抗菌剂。 8具有很好的安全性，科用于食品添加剂等，与皮肤接触无不良影响。 2）纳米二氧化钛的抗菌原理： 纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧化钛的电子结构特点为一个满 TiO2的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电 子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 : TiO2 + hν e —— + h H2O + h——·OH+ H O2 +e——O2 · O2 ·+ H——HO2· 2HO2· —— O2 + H2O2 H2O2 +O2 · ——·OH+OH +O2 吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘获电子形成O2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成CO2和 H2O;而空穴则将吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻击有机物的不饱和键或抽取 H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终致使细菌分解。 TiO2 的杀菌作用在于它的量子尺寸效应 ,虽然钛白粉(普通 TiO2)也有光催化作用 ,也能够产生电子、空穴对 ,但其到达材料表面的时间在微秒级以上 ,极易发生复合 ,很难发挥抗菌效果，而达到纳米级分散程度的TiO2 ,受光激发的电子、空穴从体内迁移到表面 ,只需纳秒、皮秒、甚至飞秒的时间 ,光生电子与空穴的复合则在纳秒量级 ,能很快迁移到表面 ,攻击细菌有机体 ,起到相应的抗菌作用。 惠尔牌纳米二氧化钛具有很高的表面活性，抗菌能力强，产品易于分散。经试验表明，惠尔牌纳米二氧化钛对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和曲霉菌等具有很强的杀菌能力，已广泛应用于纺织、陶瓷、橡胶、医药等领域的抗菌产品，深受广大用户的欢迎。 3）国内外对纳米二氧化钛抗菌性的研究及应用实例 1 农田抗菌剂：日本开发了一种新型无菌杀菌剂。其主要成分为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和银、铜等离子，可用于土壤中，对所有的细菌都有很强的抗菌性。改杀菌剂是陶瓷类微量混合金属离子，并在含有相同离子的催化剂作用下，具有使土壤中的氧活化之功能，该功能能持续时间长达2-5年。
Tio2薄膜的制备(DOC)
新能源综合报告 实验题目：Tio2薄膜的制备和微细加工 学院：物理与能源学院 专业：新能源科学与工程 学号：1350320 汇报人： 指导老师：王哲哲
一、预习部分（课前完成） 〔目的〕： 1、用溶胶-凝胶法制备Tio2光学薄膜。 2、学习紫外掩膜辐照光刻法制备Tio2微细图形。 3、微细图形结构及形貌分析。 〔内容〕 1、了解溶胶凝胶制备薄膜的原理。 2、了解常见的微细加工的方法。 3、充分调研文献资料，确定实验方案。 4、实验制备和数据分析。 ①、制备出感光性的Tio2薄膜凝胶，掌握制备工艺。 ②、对Tio2凝胶薄膜进行紫外掩膜辐照。 ③、制备出Tio2微细图形并进行热处理。 ④、测试Tio2微细图形的结构和形貌特征，处理并分析数据。〔仪器〕：(名称、规格或型号) 紫外点光源、马沸炉、提拉机、光学显微镜、磁力搅拌器、紫外可见光分光光度计、提供制备Tio2材料的前驱物，溶剂等。 二、实验原理 1、Tio2的基本性质 Tio2俗称太白粉，它主要有两种结晶形态：锐钛型和金红石型，其中锐钛型二氧化碳活性比金红石型二氧化钛高。
特点：它是一种n型半导体材料，晶粒尺寸介于1~100 nm，TiO2比表面积大，表面活动中心多，因而具有独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，呈现出许多特有的物理、化学性质。 应用：在涂料、造纸、陶瓷、化妆品、工业催化剂、抗菌剂、环境保护等行业具有广阔的应用前景，TiO2半导体光催化剂因光催化效率高、无毒、稳定性好和适用范围广等优点而成为人们研究的热点。 纳米TiO2的制备方法： 物理制备方法：主要有机械粉碎法、惰性气体冷凝法、真空蒸发法、溅射法等； 物理化学综合法：又可大致分为气相法和液相法。目前的工业化应用中，最常用的方法还是物理化学综合法。 2、溶胶-凝胶法的基本概念 溶胶：是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中,并且不停地进行布朗运动的体系。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高,溶胶是热力学不稳定体系。 溶胶分类：根据粒子与溶剂间相互作用的强弱,通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。 凝胶：是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联,形成空间网状结构,在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。对于热力学不稳定的溶胶,增加体系中粒子间结合所须克服的能量可使之在动力学上稳定。
tio2光催化技术
纳米TiO2光催化剂安全环保性能研究 作者：北京化工大学徐瑞芬教授 纳米科技的发展为人类治理环境开辟了 一条行之有效的途径，我们可以合理利用 自然光资源，通过纳米TiO2半导体的光催化效应，在材料内部由吸收光激发电子，产生电子-空穴对，即光生载流子，迅速迁移到材料表面，激活材料表面吸附氧和水分，产生活性氢氧自由基（oOH）和超氧阴离子自由基（O2·－），从而转化为一种具有安全化学能的活性物质，起到矿化降解环境污染物和抑菌杀菌的作用。 纳米TiO2光催化应用技术工艺简单、成本低廉，利用自然光即可催化分解细菌和污染物，具有高催化活性、良好的化学稳定性和热稳定性、无二次污染、无刺激性、安全无毒等特点，且能长期有益于生态自然环境，是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。 本研究在用亚稳态氯化法合成纳米二氧化钛的技术基础上，根据光催化功能高效性的需要，进行掺杂和表面处理，制成特有的在室内自然光和黑暗区微光也能显著发挥光催化作用的纳米二氧化钛，将其作为功能粉体材料，复合到塑料、皮革、纤维、涂料等材料中，研制成无污染、无毒害的纳米TiO2光催化绿色复合材料，充分发挥抗菌、降解有机污染物、除臭、自净化的功能，这类环保型功能材料实施方便、应用性强，能实用到生活空间的多种场合，发挥其多功能效应，成为我们生活环境中起长期净化作用的环保材料。 2 纳米TiO2光催化剂对环境的净化功能研究 2．1室内环境的净化 随着建筑材料中各种添加物的使用，室内装饰材料和各种家用化学物质的使用，室内空气污染的程度越来越严重。调查表明，室内空气污染物浓度高于室外，甚至高于工业区。据有关部门测试，现代居室内空气中挥发性有机化合物高达300多种，其中对人体容易造成伤害、甚至致癌的就有20多种，极大地威胁着人类的健康生活。随着人们健康和环保意识的增强，人们对具有光催化净化室内外空气、抗菌杀毒等功能性绿色环保材料的需求日益迫切，纳米TiO2光催化剂的出现为环境净化材料的发展开辟了一片新天地，也为人们对健康环境需求的解决提供了有效的途径。
二氧化钛光催化分解甲醛原理
二氧化钛光催化分解甲 醛原理 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
纳米二氧化钛光催化分解甲醛原理 1. 光催化剂的发现历史 自从1972年Fujishima和Honda[2]发现TiO2在受到紫外光照射时可以将水氧化还原生成氢，光催化材料就引起了科研人员的关注。而1976年Carey等[3]将TiO2的光催化作用应用于水中多氯联苯化合物脱氯去毒并取得了成功，从此TiO2作为一种去除有机物的一种有效方法应用到了水和空气的清洁净化领域。1985年，日本科学家Tadashi Matsunaga等[4]第一个发现了TiO2在紫外光下有杀菌作用。近年来科学家们又对TiO2进行了深入的研究，并取得了很大的进步。但是以前的研究多数是用溶胶凝胶负载在基材上，这样的负载量有限，所以对空气的净化的速率较慢。如何能够快速、便捷、安全、有效的除去室内的各种污染物及病菌成为一个亟待解决的问题。纳米TiO2良好的光催化性能使它成为了解决这一问的热点研究方向。纳米TiO2以其催化活性高、化学稳定性好、使用安全， 2. 纳米TiO2光催化机理 纳米TiO2是一种n型半导体氧化物，其光催化原理可以用半导体的能带理论来解释[5]。由于TiO2纳米粒子的粒径在1~100 nm，所以其电子的Fermi能级是分立的，而不是像金属导体中的能级是连续的，在纳米TiO2半导体氧化物的原子或分子轨道中具有一个空的能量区域，它介于导带与价带之间，称为禁带[6]，其宽度为 eV，当纳米TiO2接受波长为 nm以下的光线照射时，其内部价带的电子由于吸收光子跃迁到导带，从而产生空穴-电子对，即光生载流子，然后迅速迁移到其表面并激活被吸附的O2和H2O，产生高活性羟基自由基(·OH)和超氧离子自由基(·O2- )[7]，当污染物以及细菌吸附其表面时，会发生两个步骤：
TiO2光催化原理及应用
TiO2光催化原理及应用 一.前言 在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界围每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在世界围广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。 自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。 二.TiO2的性质及光催化原理 许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO2属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板
TiO2薄膜制备与性能
目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 1 绪论 (3) 2 国内外研究文献综述 (5) 2.1 TiO 的结构 (5) 2 薄膜亲水性原理 (5) 2.2 TiO 2 薄膜结构及其性能的影响 (6) 2.3 相关参数对TiO 2 2.3.1 晶粒尺寸 (6) 2.3.2 结晶度和晶格缺陷 (6) 2.3.3表面积和表面预处理 (6) 2.3.4 表面羟基 (6) 2.3.5 薄膜厚度 (7) 3 实验部分 (8) 3.1 实验系统介绍 (8) 3.2 衬底的选择及清洗 (9) 薄膜的实验步骤 (9) 3.3 直流磁控溅射制备TiO 2 3.4 亲水性测试 (9) 4 实验结果及参数讨论 (10) 薄膜的工作曲线的影响 (10) 4.1 氧流量对TiO 2 4.2 溅射功率的选择及其对薄膜的性能影响 (11) 4.3 总气压对薄膜性能的影响 (13) 4.4 氧氩比对薄膜亲水性的影响 (13) 4.5 基片温度对薄膜性能的影响 (14) 4.6 热处理对薄膜性能的影响 (16) 结论 (18) 谢辞 (19) 参考文献 (20)
直流磁控溅射法制备TiO2薄膜 摘要：本文利用直流磁控溅射法在不同条件下制备玻璃基TiO2薄膜样品，并检测了薄膜的超亲水性。研究了沉积条件例如溅射总气压，氧气和氩 薄膜最佳性气的相对分压，溅射功率，基片温度和后续热处理对TiO 2 薄膜是无定型且能的影响。实验结果显示：在较低温度下沉积的TiO 2 亲水性较差。相反，在4000C到5000C范围内退火过后，薄膜表面呈 现超亲水性能。本文在实验中获得的最佳制备条件为：溅射功率为 94 W，溅射气压在2.0Pa，氧氩比是2:30，基片温度为400 0C，最后 在空气气氛中退火，温度为4500C。 关键词：直流磁控溅射；TiO2薄膜；超亲水性；退火温度
TiO2阵列薄膜
TiO2和HfTiO4薄膜在微电子中应用与表征研究 摘要：研究掺TiO2阵列基透明氧化物半导体在微电子的应用，通过低压集中热 反应磁控溅射法制备TiO 2和掺Hf的TiO 2 薄膜，沉积在(100)方向的硅基板上，沉 积后在空气中1000K进行退火处理4小时。通过X衍射(XRD)，原子显微镜(AFM),X 射线光电子能谱(XPS)研究薄膜阵列的性质。XRD分析表明经热处理后将增强薄 膜的结晶，TiO 2和斜方HfTiO 2 薄膜出现形状规则的金红石相。AFM图分析表明该 纳米薄膜显示高度有序，整个样品表面上晶粒的尺寸和排列时均匀的。薄膜的化学计量比可以通过XPS检测来确定。 关键字：TiO2 薄膜 HfTiO4阵列透明氧化物半导体 Abstract:We study the possible microelectronics applications of transparent oxide semiconductors based on TiO2-doped matrix. TiO2 and Hf-doped TiO2 thin films were prepared by low pressure hot target reactive magnetron sputtering (LP HTRS) and deposited onto monocrystalline (100) silicon substrate. After deposition thin films were additionally annealed in air for 4 hours at 1000 K. Properties of the thinfilms matrixes were studied by means of X-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XRD investigations have shown that heat treatment enhances the crystallity of the thin films. Well-shaped lines of the rutile phase for TiO2 and the orthorhombic HfIiO4 have appeared. AFM images showed that the nanocrystalline thin films exhibit the high ordering grade. The dimension and arrangement of grains were homogenous on the whole sample surface. The stoichiometry of manufactured thin films was confirmed by XPS examinations. Keywords：TiO2 thin films HfTiO4 matrix transparent oxide semiconductors 1 引言 TiO2是一种重要的无机功能材料，因有氧空位存在而呈N型，二氧化钛有锐钛矿、金红石和板钛矿3 种晶型，可用于制备染料敏化太阳能电池[1]、气敏传感器[2]、光催化薄膜[3]、电介质材料、光裂解水[4]、无机涂料等，应用于水或空气的净化，水分解制氢，无机薄膜太阳能电池等能源与环境领域。1991年，Gr?tzel等[1]利用具有大比表面积TiO2纳米晶多孔薄膜作为光阳极材料制备了电池器件，获得的能量转换效率高达7.1%，这种Gr?tzel电池因其制备简单、材料易得和成本低廉等优点而备受关注。近年来，利用半导体材料降解环境中的污染物已越来越受到人们的关注。TiO2的禁带宽度仅为3.2eV，只能吸收波长小于387.5 nm 的紫外光(约占太阳光的4.5%)，而可见光占太阳光的45%，严重限制了其实际应用。而且，在光催化反应中，纯相TiO2产生的光生电子和空穴易在光催化剂体相内和表面快速复合，极大地降低了其量子效率[5–6]。因此，有必要寻找有效的方法来提高其可见光活性和光生载流子的分离效率。TiO2这种半导体材料的光催化性能自上世纪70年代开始受到人们的重视，其中，TiO2是一种理想的半导体光催化剂材料，因为它拥有较宽的禁带宽度，光催化活性高，催化简单有机物彻底，良好的化学稳定性，不会引起二次污染等优势。因此，它被广泛应用于杀菌、除臭、污水处理、空气净化等方面。将TiO2与窄带半导体复合形成异质结可有效解决上面的两个问题，Sun 等[7]制备了CdS/TiO2纳米管阵列，其光电效应是TiO2 纳米管阵列的35 倍；Zhang 等[8]将CdSe 沉积到TiO2纳米管中，显著提高了其可见光下的光电流；Hou等[9]将Cu2O 与TiO2纳米管复合后有效提高了其可见光光催化活性。在可见光照射下，从这些窄带半导体上激
Tio2的光催化性能研究
TiO2的光催化性能研究 摘要：主要介绍二氧化钛的光催化原理，基本途径，以及光催化剂的结构特性和影响因素，还讲述了关于二氧化钛的光催化应用。 关键字：二氧化钛光催化光催化剂 二氧化钛，化学式为TiO2，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑；它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。 1 TiO2的基本性质 1.1结晶特征及物理常数 物性：金红石型锐钛型 结晶系：四方晶系四方晶系 相对密度：3.9~4.2 3.8~4.1 折射率： 2.76 2.55 莫氏硬度：6-7 5.5-6 电容率：114 31 熔点：1858 高温时转变为金红石型 晶格常数：A轴0.458,c轴0.795 A轴0.378,c轴0.949 线膨胀系数：25℃/℃ a轴：7.19X10-6 2.88？10-6 c轴：9.94X10-6 6.44？10-6 热导率： 1.809？10-3 吸油度：16～48 18～30 着色强度：1650~1900 1200~1300 颗粒大小：0.2~0.3 0.3 功函数：5.58eV
2TiO2的光催化作用 2.1光催化作用原理 二氧化钛是一种N型半导体材料，锐钛矿相TiO2的禁带宽度Eg =3.2eV，由半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度E g的关系式： λg (nm)=1240/Eg(eV) 可知：当波长为387nm的入射光照射到TiO2上时，价带中的电子就会发生跃迁，形成电子-空穴对，光生电子具有较强的还原性，光生空穴具有较强的氧化性。在半导体悬浮水溶液中，半导体材料的费米能级会倾斜而在界面上形成一个空间电荷层即肖特基势垒，在这一势垒电场作用下，光生电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位置，还原和氧化吸附在表面上的物质。除了上述变化途径外，光激发产生的电子、空穴也可能在半导体内部或表面复合，如果没有适当的电子、空穴俘获剂，储备的能量在几个毫秒内就会通过复合而消耗掉，而如果选用适当的俘获剂或表面空位来俘获电子或空穴，复合就会受到抑制，随后的氧化还原反应就会发生。在水溶液中，光生电子的俘获剂主要是吸附在半导体表面上的氧，氧俘获电子形成O2-；OH-、水分子及有机物本身均可充当光生空穴俘获剂，空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成具有高度活性的?OH自由基，活泼的?OH 自由基可以将许多难以降解的有机物氧化为CO2和H2O。其反应机理如下： TiO2 + hv → h+ + e- h+ + e- →热量 H2O → H+ + OH- h+ + OH- → HO? h+ + H2O + O2- → HO?+ H+ + O2- h+ + H2O → HO?+ H+ e- + O2→ O2- O2- + H+ → HO2? 2HO2?→ O2 + H2O2 H2O2 + O2- → HO?+ OH- + O2 H2O2 + hv → 2HO? 从上述光催化作用原理分析可知道，光催化过程实际上同时包含氧化反应和还原反应两个过程，分别反映出光生空穴和光生电子的反应性能，同时二者又相互影响，相互制约。
二氧化钛光催化原理
TiO2光催化氧化机理 TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）;而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图1-1所示。 如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等无害物质。 反应过程如下： 反应过程如下： TiO2+ hv → h+ +e- (3) h+ +e-→热能（4） h+ + OH- →·OH (5) h+ + H2O →·OH + H+(6) e- +O2→ O2- （7）O2 + H+ → HO2·(8) 2 H2O·→ O2 + H2O2(9) H2O2+ O2 →·OH + H+ + O2(10) ·OH + dye →···→ CO2 + H2O (11)
H+ + dye →···→ CO2 + H2O (12) 由机理反应可知,TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。 Ti02光催化氧化的影响因素 1、试剂的制备方法 常用Ti02光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。不同方法制得的Ti02粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。同时在制备过程中有无复合，有无掺杂等对光降解也有影响。Ti02的制备方法在许多文献上都有详细的报道，这里就不再赘述。 2、晶体结构的影响 Ti02主要有两种晶型—锐钛矿型和金红石型，锐钦矿型和金红石型均属四方晶系，图1-2为两种晶型的单元结构[10]， 两种晶型都是由相互连接的TiO6八面体组成的，每个Ti原子都位于八面体的中心，且被6个O原子围绕。两者的差别主要是八面体的畸变程度和相互连接方式不同。
纳米二氧化钛的制备及其光催化活性的测试
第 页（共 页） 课 程 ___________ 实验日期：年 月曰 专业班号 _____ 别 ______________ 交报告日期： 年 月 日 姓 名_ _学号 报告退发： （订正、重做） 同组者 _____________ 次仁塔吉 __________ 教师审批签字： 实验名称 _________________ 纳米二氧化钛粉的制备及其光催化活性的测试 、实验目的 1. 了解制备纳米材料的常用方法，测定晶体结构的方法。 2. 了解XRD 方法，了解X-射线衍射仪的使用，高温电炉的使用 3. 了解光催化剂的（一种）评价方法 、实验原理 1.纳米TiO 2的制备 ① 纳米材料的定义：纳米材料指的是组成相或者晶相在任意一维度上尺寸小于 100nm 的材 料。 纳米材料由于其组成粒子尺寸小， 有效表面积大，从而呈现出小尺寸效应， 表面与界面效应 等。 ② 纳米TiO 2的制备方法：溶胶凝胶法，水热法，火焰淬火掺杂法，阳极氧化法，电泳沉积 再阳极氧化法，高温雾化法，溅射法，光沉积法，共沉淀法。 本实验采取最基本的，利用金属醇盐水解的方法制备纳米 TiO 2，主要利用金属有机醇盐能 溶于有机溶剂，且可以水解产生氢氧化物或氧化物沉淀。 该方法的优点：①粉体的纯度高，②可制备化学计量的复合金属氧化物粉末。 西安交通大学化学实验报告
③制备原理：利用钛酸四丁酯的水解，反应方程如下 Ti OC4H9 4 4出0 =Ti OH 4 4C4H9OH Ti OH 4 Ti OC4H9 4=TiO2 4C4H9OH Ti OH 4 Ti OH 4=TiO2 4H2O 2. TiO 2的结构及表征 我们通过实验得到的TiO 2是无定形的，二氧化钛通常有如下图上所示的三种晶状结构: 无定形的TiO2在经过一定温度的热处理后，会向锐钛矿型转变，温度更高会变成金红石型。 我们可以通过X-射线衍射仪测定其晶体结构。 纳米TiO 2的景行对其催化活性影响较大，由于锐钛矿型TiO 2晶格中含有较多的缺陷和缺位，能产生较多的氧空位来捕获电子，所以具有较高的活性；而具有最稳定晶型结构的金红石型TiO2，晶化态较好，所以几乎没有光催化活性。 多晶相样品根据XRD测试获得XRD图谱。根据图谱的衍射角度对应的峰，我们可以测定 各晶相的含量。【用晶相含量百分比表示】（其中20-25为金红石型的特征衍射峰，25-27 为锐钛矿型的特征衍射峰） C A A A 100% A A A R 同时，根据XRD图谱可以估计样品的直径
纳米二氧化钛的应用
纳米二氧化钛的应用 纳米二氧化钛作为一种高效、无毒的光催化剂，在环保领域的应用越来越 受到人们的广泛关注和重视。抗菌材料纳米TiO2以其优异的抗菌性能成为开发研 究的热点之一，以期应用于水处理装置、医疗设备、食品包装、建材（如抗菌地砖、抗菌陶瓷卫生设施、抗菌砂浆、抗菌涂料等）、化妆品、纺织品、日用品以及家用电器等各个领域。1、气体净化环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等。TiO2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。大气污染气体，主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化合物。利用纳米TiO2的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷TiO2光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备，均可有效地降解污染物，净化室内空气。利用纳米TiO2开发出来的一种抗剥离光催化薄板，可利用太阳光有效去除空气中的NOx气体，而且薄板表面生成的HN03可由雨水冲洗掉，保证了催化剂活性的稳定。2、抗菌除臭抗菌是指纳米TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。TiO2光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀能力。当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时，2被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质(如H2S、SO2、硫醇等)。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。3、处理有机污水工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物，尤其是工业污水中含有大量的有毒、有害的有机物质，这些污染物用生物处理技术很难消除。许多学者对水中有机污染物光催化分解进行了系统的研究，结果表明以TiO2为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质。4、处理无机污水除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时，能够捕获表面的光生电子而发生还原反应，使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+，从而起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水的无机重金属离子。5、防雾、自清洁功能TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。阅读会员限时特惠 7大会员特权立即尝鲜 如果把高层建筑的窗玻璃、陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。 6、抗菌塑料 在日常生活中人们是离不开塑料制品的，如卫生间设施、桌面、垃圾箱、厨房用具、家用电器的塑料外壳、食品包装袋等等，由于温度、湿度合适，非常容易滋生感染细菌。因此!，对此类材料进行抗菌处理是极其必要的。 徐瑞芬等【2】 利用纳米TiO2作为无机抗菌剂，研制抗菌广谱长效的功能塑料。结果表明：采用锐钛矿
二氧化钛薄膜的研究进展(2-24)
二氧化钛薄膜的研究进展 引言 TiO2是一种性能稳定的半导体材料，具有氧化活性高，对人体无毒害、成本低和无污染等特点，在许多领域有广泛的用途。TiO2薄膜具有良好的化学稳定性、电学性能、优良的光催化特性和亲水性，使其在污水处理、空气净化、电子材料、光学材料、生物材料和金属表面防护等方面呈现出巨大应用潜力。目前，TiO2薄膜的制备方法有很多，大体可以分为两大类：物理法和化学法。物理法主要是利用高温产生的物质蒸发或电子、离子、光子等高能粒子的能量所造成的靶物质溅射等方法，在衬底上形成所需要的薄膜；化学法是利用化学反应在基片上形成薄膜的方法。[1] 制备方法 1 溶胶-凝胶法 溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。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-凝胶法制备TiO2薄膜一般以钛醇盐及其相应的溶剂为原料，加入少量水和络合剂，经搅拌和陈化后形成溶胶，然后利用浸渍-提拉法、旋转涂层或喷涂等方法涂在基片表面，经过焙烧后形成薄膜。常用的钛醇盐主要有：钛酸乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸丁酯、钛酸四丁酯、四氯化钛和三氯化钛等等。 姚敬华等[2]人以钛白粉厂价格低廉的偏钛酸为原料,采用溶胶-凝胶法,结合微乳化技术和共沸蒸馏的工艺路线,制备了纳米锐钛矿型TiO2粉体。用电镜(TEM)及X射线衍射(XRD)技术进行了表征。结果表明:TiO2结晶良好,分布均匀,无团聚现象。将一定量偏钛酸和NaOH按一定量比混合,再按一定固液比用水稀释,搅拌均匀后转入蒸馏瓶中,在沸腾状态下回流2 h后转入烧杯.在搅拌条件下,缓慢加入一定体积的浓硝酸至沉淀溶解,得到浅白色半透明状溶液。在此溶液中加入一定体积的8%DBS溶液和二甲苯,搅拌30 min静置,液体分为3层(3相),取中间相进行蒸馏,至馏出液中不分层为止,过滤,将滤渣在80℃烘 4 h后,放入茂福炉,在650℃下灼烧3 h后得纳米TiO2微粒。
tio2光催化技术
纳米TiO2光催化剂安全环保性能研究 作者：北京化工大学 徐瑞芬教授 纳米科技的发展为人类治理环境开辟了 一条行之有效的途径，我们可以合理利用自然光资源，通过纳米TiO2半导体的光催化效应，在材料内部由吸收光激发电子，产生电子-空穴对，即光生载流子，迅速迁移到材料表面，激活材料表面吸附氧和水分，产生活性氢氧自由基（oOH ）和超氧阴离子自由基（O2·－），从而转化为一种具有安全化学能的活性物质，起到矿化降解环境污染物和抑菌杀菌的作用。 纳米TiO2光催化应用技术工艺简单、成本低廉，利用自然光即可催化分解细菌和污染物，具有高催化活性、良好的化学稳定性和热稳定性、无二次污染、无刺激性、安全无毒等特点，且能长期有益于生态自然环境，是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。 本研究在用亚稳态氯化法合成纳米二氧化钛的技术基础上，根据光催化功能高效性的需要，进行掺杂和表面处理，制成特有的在室内自然光和黑暗区微光也能显著发挥光催化作用的纳米二氧化钛，将其作为功能粉体材料，复合到塑料、皮革、纤维、涂料等材料中，研制成无污染、无毒害的纳米TiO2光催化绿色复合材料，充分发挥抗菌、降解有机污染物、除臭、自净化的功能，这类环保型功能材料实施方便、应用性强，能实用到生活空间的多种场合，发挥其多功能效应，成为我们生活环境中起长期净化作用的环保材料。 2 纳米TiO2光催化剂对环境的净化功能研究 2．1室内环境的净化 随着建筑材料中各种添加物的使用，室内装饰材料和各种家用化学物质的使用，室内空气污染的程度越来越严重。调查表明，室内空气污染物浓度高于室外，甚至高于工业区。据有关部门测试，现代居室内空气中挥发性有机化合物高达300多种，其中对人体容易造成伤害、甚至致癌的就有20多种，极大地威胁着人类的健康生活。随着人们健康和环保意识的增强，人们对具有光催化净化室内外空气、抗菌杀毒等功能性绿色环保材料的需求日益迫切，纳米TiO2光催化剂的出现为环境净化材料的发展开辟了一片新天地，也为人们对健康环境需求的解决提供了有效的途径。
二氧化钛薄膜的制备及其光催化性能
毕业设计（论文） 题目二氧化钛薄膜的制备及其光催 化性能 系（院）化学工程系专业材料化学 班级10级材料本1 学生姓名姚广祥 学号1014100425 指导教师王丽 职称讲师 二〇一四年六月十五日
独创声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二〇年月日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 二〇年月日
二氧化钛薄膜的制备及其光催化性能 摘要 二氧化钛是一种高效环保的光催化降解材料，目前被广泛应用于工业生产、食品加工、环境治理等领域。但是粉末状二氧化钛难回收和吸收光波的谱带较窄，为了解决这两个问题，目前多采用成膜和掺杂予以解决。 本研究利用浸提技术，把二氧化钛固定在不锈钢丝网上。通过XRD 对其物相进行分析，利用扫描电镜表征其微观形貌，利用甲基橙作为目标污染物，探究了搅拌、浸提次数、掺杂、光源等因素对二氧化钛光催化降解性能的影响以及其重复使用效果。结果表明：所制得的二氧化钛主要为锐钛矿型；随着浸涂次数的增加，不锈钢丝网表面二氧化钛薄膜的微观形貌有所变化；搅拌、浸提次数、掺杂镧有利于二氧化钛光催化活性的提高，二氧化钛利用紫外光的能力比利用可见光的能力更强；随着浸提次数的增加，二氧化钛对甲基橙的光催化降解效率呈现先增大后减少的趋势，当浸提达到七次时光催化降解效率最高，四小时降解率可达77.6%；所制得的负载有二氧化钛薄膜的不锈钢丝网在重复性实验中，除第一次催化降解后效率有降低外，其他都基本不变，说明制得的样品可以长期用于光催化降解。 关键词：二氧化钛薄膜；镧；甲基橙；光催化
氧化钛的光催化过程机理
石墨烯／二氧化钛复合光催化剂的制备方法 本发明涉及一种石墨烯／二氧化钛复合光催化剂的制备方法，步骤如下：将氧化石墨溶于有机溶剂，超声处理得到氧化石墨烯分散液；在氧化石墨烯分散液中加入钛盐前驱体，搅拌均匀；将混合好的分散液转移至水热反应釜，１２０～２００℃下反应４～２０小时；将反应所得到产物分别用无水乙醇与去离子水清洗，真空４０～８０℃下干燥８～２４小时得到石墨烯／二氧化钛复合光催化剂。本发明的优点在于原料普通易得，成本低廉，制备过程简单安全，所得产物中，ＴｉＯ２颗粒能均匀分散于石墨烯表面，两者间有较强的作用力，既避免了自身粒子的团聚，也有效防止了石墨烯片层的重堆积。结构上的优势使其具有优良的光催化活性，在环境保护与太阳能电池领域中都有潜在的应用价值。 所谓光催化反应 光化学及光催化氧化法是目前研究较多的一项高级氧化技术。所谓光催化反应，就是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态，然后会发生化学反应生成新的物质，或者变成引发热反应的中间化学产物。光化学反应的活化能来源于光子的能量，在太阳能的利用中光电转化以及光化学转化一直是十分活跃的研究领域。 光催化氧化技术利用光激发氧化将O2、H2O2等氧化剂与光辐射相结合。所用光主要为紫外光，包括uv-H2O2、uv-O2等工艺，可以用于处理污水中CHCl3、CCl4、多氯联苯等难降解物质。另外，在有紫外光的Feton体系中，紫外光与铁离子之间存在着协同效应，使H2O2分解产生羟基自由基的速率大大加快，促进有机物的氧化去除。 编辑本段分类 光降解通常是指有机物在光的作用下，逐步氧化成低分子中间产物最终生成CO2、H2O及其他的离子如NO3-、PO43-、Cl-等。有机物的光降解可分为直接光降解、间接光降解。前者是指有机物分子吸收光能后进一步发生的化学反应。后者是周围环境存在的某些物质吸收光能成激发态，再诱导一系列有机污染的反应。间接光降解对环境中难生物降解的有机污染物更为重要。 利用光化学反应降解污染物的途径，包括无催化剂和有催化剂参与的光化学氧化过程。前者多采用氧和过氧化氢作为氧化剂，在紫外光的照射下使污染物氧化分解；后者又称光催化氧化，一般可分为均相和非均相催化两种类型。均相光催化降解中较常见的是以Fe2+或Fe3+及H2O2为介质，通过photo-Fenton反应产生·HO使污染物得到降解，非均相光催化降解中较常见的是在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用，产生·HO等氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟基加和、取代、电子转移等式污染物全部或接近全部矿化。
二氧化钛光催化剂及其在环境中的应用
二氧化钛光催化剂及其在环境中的应用 随着工业化的迅猛发展与人口的不断增长，全球范围内的环境污染问题逐步加剧。光催化技术的核心——光催化剂可以利用清洁的太阳能有效地降解各类有机污染物，从而可以在一定程度上解决环境污染问题。二氧化钛基光催化剂研究包括能源领域的光解水制氢、太阳能电池、水体内污染物的去除以及CO2资源化利用等方面。本文简要分析了二氧化钛光催化剂的特点及在环境中的应用。 标签：二氧化钛；光催化剂；环境；应用分析 二氧化钛本身具有反应条件温和，无毒，无二次污染等优点，且能够降解难降解的有机污染物，在处理水污染等其他环境污染方面比传统的工艺有明显的优势。也可以循环利用，极大降低了成本。所以二氧化钛成为处理环境污染问题中的新兴材料，对环境保护有重要的意义。 一、二氧化钛的特点 在已开发的光催化剂中，二氧化钛由于具有较高活性、优异的稳定性、超亲水性以及低成本、环境友好等优点，成为目前研究最为广泛的光催化剂。虽然对TiO2的研究报道很多，但TiO2在实际应用中的缺点和不足却是无法避免的，主要包括：①TiO2的禁带宽度较大，只能对波长在390nm以下的紫外光产生响应，使其对太阳光的利用率较低；②光生载流子的复合概率比较大，从而降低了TiO2的催化活性；③TiO2在液相反应中容易流失、较难分离。基于这些缺点，目前针对TiO2的研究主要集中于TiO2的负载和改性技术，如图1。 二、纳米二氧化钛光催化剂的应用 光催化剂对环境保护和节约能源具有重大意义，纳米TiO2 在废水处理、大气净化等领域应用也越来越广泛。 （一）二氧化钛光催化剂在气体净化中的应用 近年来，空气中有害物质的去除引起了人们的关注。由于大部分空气污染物（如醛、酮、醇等）较易被氧化，因此用氧化法去除空气中的有害物质具有一定的可行性。去除空气中污染物常用的多相催化氧化法大都需要在较高温度下进行，而光催化能在室温下利用空气中的水蒸气和O2去除空气污染物。利用二氧化钛光催化剂在光照条件下可将空气中的有机物分解为CO2、HO2及相应的有机酸。目前，国内外学者对烯烃、醇、酮、醛、芳香族化合物、有机酸、胺、有机复合物、三氯乙烯等气态有机物的二氧化钛光催化降解进行了大量研究，其量子效率（反应速率，入射光密度）是降解水溶液中同样有机物的10倍以上。另外，在二氧化钛光催化反应中，一些芳香族化合物的光催化降解过程往往伴随着各种中间产物的生成，有些中间产物具有相当大的毒性，从而使芳香族化合物不适于液相光催化反应过程，如水的净化处理。但在气相光催化反应中，生成的中