納米結構二氧化鈦的光催化應用
納米結構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。納米結構二氧化鈦是一種光敏半導體，可在吸收近紫外區的電磁波。固態形式下，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態時間更長且銳鈦礦表面更能吸附陰離子形態的氧。
光礦化
根據不同的反應條件，有機化合物可完全礦化為下述產物：
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物。在某些情況下，這些中間產物會鈍化催化劑表面。采用納米結構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、農業廢水及水中的油的完全分解。
采用納米結構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構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，因此納米結構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，納米結構二氧化鈦產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：紫外光激發產生電子空穴對，這些空穴能夠將橋氧原子氧化為氧氣，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。
