二氧化钛纳米材料超亲水或超超疏水亲水二氧化钛薄膜的应用及应用

二氧化钛纳米材料的现有应用包括涂料、牙膏、紫外线防护、光催化、光电子学、传感以及电致变色和光致变色——这些都是很有前景的应用。二氧化钛纳米材料通常具有电子带隙，电子伏特大于3.0，在紫外区具有高吸收。二氧化钛纳米材料非常稳定、无毒且价格低廉。由于其良好的光学和生物学特性，可应用于紫外线防护。如果水表面接触角大于 130 或小于 5，则该表面可分别定义为超疏水或超亲水。各种具有防雾功能的玻璃制品，如镜子、玻璃，都具有超亲水或超疏水表面。例如，冯等人。发现可逆的超亲水性和超疏水性可以来回切换二氧化钛纳米膜。 TiO2纳米棒薄膜在紫外光照射下，光生空穴与晶格氧发生反应，表面氧处于空位状态。动力学，水分子与这些氧空位协调，球形水滴沿着纳米棒填充凹槽，并以约 0 的接触角分散在 TiO2 纳米棒薄膜上，从而形成超亲水性 TiO2 薄膜。羟基吸附后，表面转变为剧烈的亚稳态。如果将薄膜置于暗处，吸附的羟基会逐渐取代大气中的氧气，表面恢复原状。表面润湿性从超亲水转变为超疏水。由于超亲水或超疏水表面，许多不同类型的表面具有防污、自清洁特性。 TiO2纳米材料的电学或光学性质随吸附而变化，还可用作各种气体和湿度传感器。

未来清洁能源应用最重要的研究领域之一是寻找高效的电力和/或氢材料。如二氧化钛与有机染料或无机窄带隙半导体的敏化，二氧化钛可以吸收光，形成可见光区，将太阳能转化为电能用于太阳能电池。 Gratzel 的团队利用染料敏化太阳能技术，实现了将所有太阳能转化为电流的效率为 10.6% 的电流。二氧化钛纳米材料因其适合水氧化还原的电子能带结构而被广泛研究用于水分解和制氢。二氧化钛纳米材料的另一个应用——二氧化钛纳米材料在与染料或金属纳米粒子敏化时会形成光致变色。当然，二氧化钛纳米材料的众多应用之一是光催化分解各种污染物。 5.1 光催化应用 二氧化钛被认为是最高效、最环保的光催化剂，广泛应用于各种污染物的降解。二氧化钛光催化剂也可用于杀灭细菌和处理大肠杆菌悬浮液。闪亮的二氧化钛具有很强的氧化能力，可用于在癌症治疗中杀死肿瘤细胞。光催化反应机理已被广泛研究。半导体光催化反应的原理很简单。吸收的光子能量大于二氧化钛的带隙，电子从价带被激发到导带，形成电子-空穴对。一些电荷载流子迁移到表面并与吸附到表面的化学物质反应，分解它们。这种光解过程通常涉及一种或多种自由基或中间体。

如 OH、O2、H2O2 和 O2 - 它们在光催化反应机理中起着重要作用。半导体光催化活性主要取决于-(i)光吸收特性，例如光吸收光谱和系数。 (ii) 电子和空穴决定了表面还原和氧化速率。 (iii) 电子-空穴复合率。较大的表面积，具有恒定的吸附剂表面密度，将导致更快的光催化反应。从这个意义上说，表面积越大，光催化活性越高。另一方面，表面有缺陷，因此表面积越大，重组越快。结晶度越高，大面积缺陷越少，光催化活性越高。热疗通常会增强二氧化钛纳米材料，这反过来又可以促进小颗粒聚集并减少表面积结晶。从以上一般结论来看，物理性质与光催化活性之间的关系是复杂的。考虑相关因素以寻求最佳条件，这可能因情况而异。当 TiO2 的粒径减小时，表面颗粒随表面积体积比的增加而增加，可以进一步提高催化剂的活性。纳米颗粒尺寸减小并且带隙能量增加，这有可能增强价带空穴和可能的导带电子的氧化还原，这将允许发生光氧化还原反应。除非另有说明，否则这种反应在散装材料中是不可能的。二氧化钛纳米粒子的一个缺点是它们只能使用一小部分阳光进行光催化。事实上，对于特定的光催化反应，存在一个最佳尺寸。

王等人。研究了二氧化钛纳米材料的加氢反应，即CH3CCH H2O反应。他们发现，随着二氧化钛颗粒直径的减小，二氧化钛颗粒的光催化活性降低，尤其是对于小于10纳米的二氧化钛颗粒。他们认为，对粒径产率的依赖是由于化学反应性的差异，而不是由于催化剂的物理性质。王等人。找到了二氧化钛纳米材料的最佳尺寸，以实现氯仿分解的最大光催化效率。他们观察到，随着粒径从 21 nm 减小到 11 nm，光催化活性增加。他们得出结论，对于某些特定反应，最佳粒径约为 10 纳米。在大尺寸二氧化钛纳米粒子中，大部分载流子的复合是主要过程，通过减小粒径可以减少载流子的复合。当粒径减小到一定限度时，表面重组过程占主导地位，由于电子和空穴的产生，靠近表面，表面重组超过了界面电荷载流子转移过程。蔡等人。研究了四种尺寸的二氧化钛纳米粒子对2-异丙醇分解的光催化活性。他们发现纳米粒子的光催化活性比 P25 型 TiO2 高 6 倍。 5-30 纳米粒子具有低光催化效率介孔二氧化钛、二氧化钛纳米棒和纳米管已被证明在适当条件下具有高光催化性能。彭等人。制备了具有大比表面积的介孔二氧化钛，由于其大比表面积、小晶粒尺寸和良好的锐钛矿晶体介孔结构，对罗丹明氧化物表现出良好的光催化活性。 .

60 显示了在不同温度下制备和煅烧的介孔 TiO2 样品的光催化性能，并与 P25TiO2 的性能进行了比较。所有介孔 TiO2 的光催化性能均优于 DeguessaP25 TiO2。通过在 400^ 下煅烧样品可以获得最佳响应。随着焙烧温度的进一步升高，光催化性能逐渐下降。杨等人。发现硫酸溶液处理的TiO2纳米管降解酸性橙光Ⅱ的催化活性排列顺序为：TiO2纳米管与1.0mol/L硫酸溶液反应>TiO2纳米管和0.2mol/L硫酸溶液反应>未经处理的二氧化钛纳米管>二氧化钛纳米颗粒，这是因为二氧化钛纳米管由更小的颗粒组成，经硫酸处理后具有更高的比表面积。二氧化钛气凝胶被认为是有前途的光催化剂。德根等人。制备的二氧化钛气凝胶具有 90% 的孔隙率和 600 m2/g 的表面积。他们发现，经过近 1 小时的紫外线照射，TiO2 气凝胶的水杨酸光催化降解速度是 Deguessa TiO2 的 10 倍。图 61 显示了气凝胶在退火前后的光降解，并将它们与商业 DeguessaP25 进行了比较。 5.1.2金属掺杂二氧化钛纳米材料：第二代提高各种有机污染物的光催化降解性能。

崔等人。对“掺杂21种过渡金属元素的二氧化钛纳米颗粒光催化降解氯仿和四氯化碳”进行了系统研究，发现其光催化活性与掺杂离子的电子结构有关，因为掺杂离子具有闭合电子壳对光催化活性几乎没有影响。掺杂0.1%-0.5% Fe3、Mo5、Ru3Os3、Re5、V4和Rh3，光催化活性显着提高，而掺杂Co3和Al3，光催化活性会降低。减少。二氧化钛基体中金属离子的掺杂会显着影响电荷载流子复合率和界面电子转移率。 TiO2 与掺杂剂的光化学似乎具有复杂的掺杂浓度函数，即与 TiO2 晶格掺杂能级、B 电子结构、掺杂分布、电子供体浓度、使用等离子体增强化学的光强度有关 锡离子掺杂的 TiO2 纳米颗粒薄膜气相沉积法制备的苯酚具有较高的光催化降解性能，而在紫外和可见光照射下，纯二氧化钛和锡离子掺杂剂对光载流子分离和可见光激发具有良好的效果。益处。图 62 显示了苯酚的光催化降解及其在紫外光和可见光下的反应时间。掺杂锡的二氧化钛纳米颗粒用作光催化剂。与造纸废水处理的二氧化钛相比，掺铁纳米二氧化钛表现出更高的光催化活性，铁含量较低（最佳质量分数0.05%）。与纯二氧化钛相比，铁掺杂纳米二氧化钛对大肠杆菌的光电消毒具有更高的光催化活性。

在可见光照射下，磷掺杂的二氧化钛光催化剂催化乙醇的氧化。在紫外线照射下，纯二氧化钛具有相同的光催化活性。 PT4+离子掺杂的TiO2纳米粒子表现出较高的光催化降解二氯乙酸和降解4-氯苯酚的性能；银-二氧化钛 (AgTiO2） 纳米催化剂表现出较高的光催化降解性能 2,4, 6 三氯苯酚性能，这是由于更好地分离光生载流子、改善氧还原和更高程度的诱导原子降解。在可见光下，Wei et等人合成了镧和氮共掺杂的二氧化钛纳米粒子，该纳米粒子具有优异的催化性能，其中氮掺杂用于缩小 TiO2 的带隙，镧用于防止纳米粒子聚集。掺杂的 TiO2 纳米颗粒，可以吸附可见光，一般会导致亚甲基蓝脱色的光催化效率降低，除了氮掺杂浓度低时，Bessekhouad 等人发现低浓度的碱金属（锂、钠、钾）掺杂TiO2 纳米颗粒是降解有机污染物的有前景的材料。Peng 等人发现电镀掺杂TiO2纳米粒子，当其掺杂剂离子在浅表层时，掺杂剂有利于光催化活性，而当其掺杂剂离子在深层时，掺杂剂对光催化活性不利。然而，并非所有金属掺杂的 TiO2 纳米材料都表现出比纯 TiO2 纳米材料更高的光催化活性。 Martin发现掺钒TiO2纳米粒子的光催化氯酚含量低于纯TiO2纳米粒子。

在氧吸收中心，电荷载流子与电子陷阱复合，或在 V4+ 杂质中心，电荷载流子与空穴陷阱复合。赫尔曼等人。发现在可见光区二氧化钛纳米管，晶格掺杂的TiO2较少，只要在可见光照射下，草酸、丙烯氧化、异丙醇与同位素交换为零；与纯二氧化钛相比二氧化钛纳米管，在紫外光照射下，草酸、丙烯氧化和异丙醇与同位素的交换较少。这是由于三价离子位点的电子-空穴复合增加。罗等人。据报道，分别掺杂1.5mol%钼、1mol%钒加1mol%铝或0.1mol%M加1mol%1mol%的二氧化钛显示出光催化活性。这是由于钼和钒的d电子作为TiO2的主要载流子，可以有效地消除TiO2带隙中掺杂剂携带的杂质中的高能光生空穴。 5.1.3.非金属掺杂二氧化钛纳米材料：第三代非金属掺杂二氧化钛纳米材料已被视为第三代光催化剂。各种非金属掺杂二氧化钛纳米材料的可见光光催化活性已被广泛研究。与纯 TiO2 纳米材料相比，非金属掺杂的 TiO2 纳米材料已被证明可以提高光催化活性，尤其是在可见光区域。图 63 显示了亚甲基蓝与氮掺杂二氧化钛的分解，这是 Asahi 及其同事进行的实验。结果表明，在可见光区，氮掺杂TiO2比纯TiO2具有更好的光催化活性；但在紫外光下，氮掺杂二氧化钛显示出较低的光催化活性。

氮浓度取决于氮掺杂二氧化钛的光催化活性，氮浓度在可见光区。在可见光下，氮的光催化活性位点相当于“X射线光电子能谱B-N态”，峰值在396伏。 Iris 和同事在研究中发现，浓度取决于氮掺杂二氧化钛的光催化活性，因为低氮浓度（<2%）的氮掺杂二氧化钛的能带结构与氮的能带结构不同。具有高氮浓度的掺杂二氧化钛。结果发现，N掺杂的TiO的光催化活性大大提高，这是由于在掺杂剂的取代过程中形成了O-Ti-N键作为氮氧化物。在可见光照射下，氮掺杂二氧化钛对有机物的光催化氧化，其中氮掺杂二氧化钛纳米管在可见光照射下也表现出较高的气态丙酮分解成丙酮和二氧化碳的速率，主要是通过水氧化的中间体，或通过氧还原的中间体，而不是通过与空穴氮的直接反应。较高的光催化氧化活性。还研究了硫掺杂二氧化钛的光催化活性。在可见光区，硫掺杂二氧化钛表现出较高的光催化活性，但在紫外区，其光催化活性较低。在可见光区域，由于这些样品的载体性能不同，不同方法制备的硫掺杂二氧化钛表现出不同的光催化活性。在可见光区域，碳掺杂的二氧化钛在光催化活性下表现出明显的亚甲蓝和异丙醇分解。碳掺杂二氧化钛由 TIC 前体组成。与纯二氧化钛相比，碳掺杂二氧化钛对天然气火焰中水分解的光催化活性更高。

, 碳掺杂二氧化钛由热分解的钛金属组成。在可见光区域，碳掺杂二氧化钛纳米粒子对三氯乙酸的降解表现出高光催化活性。于等人。发现氟掺杂的二氧化钛在丙酮的光解中表现出比德格萨P25二氧化钛更高的光催化活性，可以将丙酮氧化成二氧化碳。氮/氟掺杂的二氧化钛纳米粒子表现出高光催化分解乙醛和三氯乙烯的活性，这是由于表面氧空位的产生而不是由于光吸附性能的增强。罗等人。发现氯和溴掺杂的二氧化钛比氯或溴掺杂的二氧化钛表现出更高的光催化活性。