活性炭负载纳米TiO2光催化材料 制备及应用.docx

活性炭负载纳米TiO2光催化材料王立洋（山东科技大学材料科学与工程学院 山东 青岛 266500）摘要：活性炭材料负载纳米TiO2是目前最具发展前景的光催化材料之一，具有优越的吸附特性和光催化降解性能。本文介绍粉体烧结法、浸渍提拉法、化学气相沉积法等制备方法。活性炭负载纳米TiO2光催化剂在废水处理、空气净化、物质降解、杀菌消毒等方面有广阔的应用前景。关键词：活性炭负载纳米TiO2光催化应用进展纳米TiO2具有催化活性高、氧化能力强、稳定性好、连续光照保持活性以及价廉无毒等优势［1］，在实际应用中因工艺流程简单、操作条件容易控制等优点被公认是最具开发前途和应用潜力的环保型光催化材料，在有机废水的降解、重金属离子的还原、空气净化、杀菌、防雾等众多方面具有广阔的应用前景。当纳米TiO2用作光催化反应时，其存在方式主要有悬浮式和固定式，而悬浮体系粉末型TiO2光催化剂在目标污染物浓度较低时降解速度较慢［2］，且使用后回收困难，易失活、易凝聚难以分离，这些限制了它的应用和发展，因此以某种具有吸附性的物质为载体制备固定式的纳米TiO2光催化剂提高其催化效果已受到广泛关注。近年来人们对以活性炭材料为载体负载纳米TiO2制备光催化材料进行了大量研究，主要负载方法有粉体烧结法、浸渍提拉法、溶胶－凝胶法、化学气相沉积法等。由于活性炭材料吸附性能和纳米TiO2光催化性能结合发挥的协同作用，使负载型纳米TiO2在国内外广泛应用。1.光催化反应机理纳米二氧化钛具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿效应等，目前还没有确切的二氧化钛光催化理论，但其良好的光化学性质都是基于上述特殊效应。其中，量子尺寸效应是指纳米材料尺寸小到某种程度时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级现象。对于半导体纳米材料而言，被电子填充的能量最高的能带称为价带(VB)，未被电子填充的能量最低的能带称为导带(CB)，禁带则是导带底与价带顶之间的能带，而带隙则是导带底与价带顶之间的能量差。当入射光能量大于其带隙时，价带上的电子就会跃迁到导带，形成电子(e-)/空穴(h+)对。锐钛矿型纳米TiO2禁带宽度为3.2eV，当接受光能大于或等于其禁带宽度的光后，价带上的电子被激发跃迁到相应的导带，在价带上产生空穴，形成电子/空穴对，光生电子和空穴在空间电荷层的作用下发生有效分离，空穴迁移到材料表面，与-OH 基团反应产生·OH，·OH 有强氧化性，能氧化降解有机物。[3]2.纳米TiO2在活性炭纤维表面的负载方法纳米TiO2在活性炭(AC) 材料表面负载的方法较多，包括粉体烧结法、浸渍提拉法、溶胶－凝胶法、化学气相沉积法等。2.1粉体烧结法将纳米TiO2粒子放入水［4］或醇液［5］中形成悬浮液，进一步用超声波处理后或直接使用，待活性炭纤维浸入其中一段时间负载上一定量的TiO2粉体后取出，在常温下风干后于600 ℃以下烧结。需注意，烧结过程中要严格控制温度，若温度过高，易造成活性炭纤维的失重率过高，质量减少，纳米TiO2的晶型也会由光催化活性高的锐钛矿晶型向活性低的金红石晶型转化; 若温度过低，烧结不完全，负载的纳米TiO2易掉落，使负载率降低。粉体烧结法负载载体简单易行，光催化活性较高，但存在牢固性欠佳、分布不均匀、光透过性较差等问题［6］。2.2浸渍提拉法浸渍提拉法是将载体放到含有活性物质、助剂成分的液体或气体中浸渍，依靠毛细管压力使组分进入载体内部，同时组分还会在载体表面上吸附，使活性组分在载体表面吸附直到平衡，除去剩余液体，进行干燥、焙烧等后处理。此后将预处理的活性炭纤维浸入到制备好的纳米TiO2溶液中，然后以一定的速度提拉活性炭纤维，经干燥、热处理得到TiO2薄膜，浸渍包括渗透、扩散、吸附、沉积、离子交换及发生反应等过程。该法制备的负载型纳米TiO2仅仅分布在活性炭纤维载体的表面，另外还可通过改变浸渍液的pH值、浸渍液浓度、浸渍时间、浸涂次数等因素得到负载不同厚度的纳米TiO2。该法具备利用率高、用量少、成本低等优点，节省了原材料，是一种简单易行而且经济的方法，但存在焙烧热分解工序时产生废气污染等缺点2.3化学气相沉积法化学气相沉积法是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸气状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术，简单的说就是两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后它们之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。用此法制备负载型纳米TiO2材料就是将前驱物( 钛醇盐) 水蒸发，用氮气作载体将蒸气带到预热的基片上，然后在基片上充分水解，Ti 以TiO2的形式沉积在基片上，