1.2  半导体光催化剂

1.2.1  半导体光催化剂

半导体光催化剂是具有半导体性质的固体光催化剂。半导体由于其特殊的微观结构，其导电性介于导体和绝缘体之间，并且还具有一些特殊的性质，如热敏性、光敏性、负温度系数等。

1.2.2  半导体光催化剂的催化机理

一般的，半导体光催化剂在特定波长的光照射下，其价带上的电子吸收光子后，跃迁到导带，同时在价带上留下空穴。这些激发态电子和空穴可以引发吸附于半导体光催化剂表面的分子发生氧化还原反应[16]，如图1-1。

图1-1  光催化剂催化降解过程的机理简图。

1.2.3   TiO2半导体光催化剂简介

在半导体纳米光催化剂的研究中, TiO2 因其具有良好的禁带宽度, 氧化能力强, 无毒, 生物、化学和光化学稳定性好等优点, 一直处于光催化研究中的核心地位。

二氧化钛，俗名为钛白粉，是常见的n型半导体，且是一种宽禁带半导体，有板钛矿、锐钛矿、金红石三种晶型。实际中常用的晶型为金红石型和锐钛矿型，它们都属于四方晶系。锐钛矿相TiO2在可见光短波部分的反射率比金红石型TiO2高，对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性却比金红石型高；但也有文献报道金红石型TiO2和锐钛矿型TiO2的混合晶型具有最高的光催化活性，而且TiO2粒径越小，光催化活性越高。金红石型TiO2比锐钛矿型TiO2有着比较多的优点，如稳定性好、比较致密、硬度较高、折射率好、着色率比较强、密度介电常数也比较高。这些结构的共同特点为：组成结构的基本单元为钛氧八面体。论文网

二氧化钛具有以下三个优良特性：(1)化学性质稳定，耐光腐蚀；(2)具有较大的禁带宽度，氧化还原电位高，光催化反应驱动力大，光催化活性高：对于一些吸热的化学反应，在被光辐射的TiO2表面得以实现和加速。所以有望利用太阳能作为激活光催化的光源，而成为目前研究和应用最广泛的光催化剂。

纳米TiO2在废水废气净化、光能转换、抗菌除臭等领域具有广泛的应用。而且因其具有粒径小，比表面积大，磁性强，光催化、吸附性能好，吸收紫外线能力强，表面活性大，热导性和分散性好，所制悬浮液稳定等优点，使其在环境保护、信息材料、能源、医疗卫生等方面具有广泛的应用。

近年来，通过研究者进一步研究光催化机理，发现TiO2还具有超亲水性，在玻璃、瓷砖、镜面、铝合金建材表面涂层等的表面经一定波长的光照射后具有易洗、防污垢沉积、易干等“自洁”功能。

在投入规模化工业应用的研究中，有以下因素制约了TiO2的发展：TiO2仅能吸收利用太阳光中的紫外光，对太阳能的利用效率较低；半导体载流子的复合率很高，造成量子效率较低；TiO2粉末在使用中回收率较低；在固定相体系中，固化条件相对苛刻和光催化活性下降等。光催化剂作为光催化技术的核心部分，是决定光催化过程能否实际应用的关键因素。因此提高TiO2的光催化活性和对太阳光的利用率是当前催化研究中最为重要的研究课题。

因此，近年来，为充分利用太阳光降解各类污染物，提高光催化效能，人们对TiO2进行了改性研究，将它对光的吸收拓展到可见光区以及提高光量子效率方面做了大量的工作，主要方法有将TiO2和其他半导体复合、在TiO2表面染料敏化、贵金属沉积在TiO2表面以及金属离子和非金属离子的掺杂等。