纳米tio2的光化学特性及其在环境科学中的应用

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1、万方数据纳米T10z的光化学特一陡及其在环境科学中的应用／豆傻峰等·35·纳米Tio：的光化学特性及其在环境科学中的应用豆俊峰邹振扬郑泽根(重庆建筑大学应用科学与技术系．重庆400045)摘要纳米1、·O。是一种优异的七电功能材料。介绍了其奇特的表面结构、优异的光化学特性厦其光催化作用的机理．并概述了纳米TlO。在环境科学中有机污染物的光催化降解、重金属离子的光催化还原理光催化杀茸等方面的应用。关键词纳半T-o：光化学光催化环境科学PhotochemicalPropertiesofNanometerT

2、i02andItsApplicatiOninEnvironmentalScienceDouJunfengZhouZheyangZhengZ。gen(FacultyofApplledScle删andTcchnology．Cho“gql“gJI眦huUnlverslty．Ch0119qIng400045)AbstractNanometerT102Lsagoodphotoelectncfunctlonal王natenalltsexotIcsurfaceStructLlre．e”ellentphotochem

3、icaIpropeftlesarldmechanlsmsofphotocatalyt虻actlonaredescrlbedlnthIspaper．Furthermoretns8PplIfa—tionInenvIronmentaIsclence，mcludmgthephotod。gradatlonofo‘ganKcontamlnant．thephotoreductIonofhea”ymet—alionandthephotocatalytlcsterlIlzatlonetc．1sdiscussedlnde

4、tailKeywrOdsnanometerT102，photochemlstry．photocatalys墙．envlronmentalsclence0引言纳米Tio。是一种优异的光电功能材料．以其优越的光催化‘“、光电转换‘“、介电效应‘”和光学非线性Ⅲ等性能而引人注目．使其在催化领域及光电电池方面显示出巨大的应用潜力‘“．被广泛应用于环境污染物的降解”“、杀菌Ⅲ及太阳能的光电转换m3等方面。本文就纳米Tlo。的光化学特性及其在环境科学中的应用等问题作一闸述。1纳米Ti02的结构特性纳米Tio：是由

5、晶体组元和界面组元构成的。晶体组元由所有晶粒中的TI和。原于组成．这些原子都严格位于晶格位置上；界面组元由处于各晶粒之间的界面原于组成．这些原子由超微晶粒的表面原于转化而来。超微晶粒内部的有序原于与超微晶粒的界面无序原于各占薄膜总原于数的50“左右⋯。假设Tio。的晶粒为立方体，则单位体积(cm3)的界面面积Si【m2／cm3)可按下式计算㈦：Sl—Sf／【2一)(1)式中钳是晶粒的表面积．d是晶粒的尺度．在立方体的假设下为棱长。单位体积所含的界面数目可表示为：NI—Sl／(6+d)2【2)式中8为界

6、面的平均宽度。1巨定纳米nO。晶体组元的平均晶粒尺寸为6nm，界面的平均宽度为2⋯则单位体积的界面面积高达500m2／cm3．单位体积所含的界面数目为10“／cm3。可见纳米T-oz薄膜具有十分奇异的表面结构。2纳米Tio：的光化学特性常规TiO：纳米化后．由于其奇异的结构，使纳米Tio。具有了体相材料所不具备的量子尺寸效应和表面效应等特殊性质，并由此而产生了一系列光化学特性。当7I、ioz处于晶体或较大的块材状态时．遵从固体理论．主要用能带理论表示其基本性质：当处于分子状态时．则遵从量于力学规律．可

7、用分子轨道理论表征其基本性质；而介于此两者之间的所谓介观体系．特别是其粒度在1至几个纳米范围，即与DeBr091le波长相近时．半导体rioz纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能缴，显示出尺寸量子化为主的特点．表现在光学吸收谱上从没有结构的宽度吸收过渡到具有结构的特征吸收[1。“]。Brus根据球箱势阱模型确定r吸收带隙能与粒子半径的关系方程口”：E矗}=Eg+h2r产／zR2·(1／‰+1／mh)一1．8e2／R￡(3)式中：E氚为激发态能量．其大小与粒于半径有关；Eg为半导体块材

8、的能隙；砜和mx分别为电子和空穴的有效质量；e为介电常数。由(3)式可知，第二项的增大．可使E^，增大．故可使之产生蓝移；第三项的增大，产生红移。由于第二项比第三项随颗粒半径减小而增大的幅度大得多．因此．粒子半径越小，半导体的带隙能越大．因而吸收波长越短t总的效果是发生蓝移。所以．纳米T-旺由于量子尺寸效应带来的能缴改变、万方数据·36·材料导报2000年6月第14卷第6期珑辕变宽罐}艇微粒的光学暇收霸短波方向移动。发射能量增强一光催化驱动力增太，可导致