二氧化钛光催化技术能在常温常压下利用太阳光降解大气和水中的污染物，是一种极具应用前景的光催化材料。但二氧化钛的催化活性只能在紫外光下才能被激发,而在太阳光中占绝大多数的可见光难以得到有效利用,这在一定程度上限制了二氧化钛的应用。如何对二氧化钛进行改性,
使其在可见光甚至是室内光源的激发下产生活性是二氧化钛光催化实现产业化发展的研究重点。
一、二氧化钛光催化技术的局限性
二氧化钛作为一种N型半导体，由于具有工艺简单、价格低廉、安全无毒、性能稳定、耐腐蚀性好和无二次污染等优点，成为应用最广泛的光催化剂，在污水处理、空气净化、杀菌除臭、防雾自清洁等方面得到广泛应用。但在研究和应用过程中发现，二氧化钛催化还存在一些局限性。由于二氧化钛禁带较宽，只能吸收在太阳光谱中约占5%的紫外光，而占太阳光谱约43%的可见光谱却得不到应用。因此，它的太阳能利用率较低，适用性较差，特别在室内环境下，不能很好地发挥光催化作用。此外，由于二氧化钛光生载流子的复合速率高，也会使电子--空穴对在二氧化钛内部或表面复合，从而在一定程度上降低光催化效率。现在市场上已经流行利用二氧化钛光催化技术解决环境污染问题，但二氧化钛光催化技术本身的局限性限制了它的发展。要想二氧化钛在室内可见光环境下充分发挥催化作用，就必须对二氧化钛进行掺杂、修饰，以扩大其光响应范围，减少光生载流子复合。
二、扩大光吸收范围的主要手段
为了克服二氧化钛光催化所表现出的局限性，科研工作者在十多年前就开始致力于拓展纯二氧化钛材料在可见光下的光学响应研究。目前的研究主要集中在金属掺杂、非金属掺杂、贵金属沉积、有机染料光敏化、半导体复合等几个方面。其中，非金属掺杂是把一种或多种非金属元素引入到其晶格或晶界中，由此而形成的杂质能级和缺陷能级引入到二氧化钛禁带带隙中，减小其所受激发能，这样不但使二氧化钛的带隙降低，拓宽了二氧化钛的光吸收范围。而且也很少形成光生载流子的复合中心，从而避免了其光催化活性的减弱。非金属掺杂还具有原料来源广泛、产品价格低廉等优点。因此，非金属掺杂成为克服二氧化钛光催化表现出的太阳能利用率较低和光生载流子复合速率高等局限性的最时髦的改性方法。科学家对氟掺杂、掺氮杂、硫掺杂、碳掺杂、硼掺杂、溴掺杂、氯掺杂已经做了大量的实验、比较和分析，认为目前解决杂纳米二氧化钛光催化局限的最有效方法之一是氮掺杂。
三、氮掺杂纳米二氧化钛新技术
对纳米二氧化钛进行掺杂以窄化带隙，是实现二氧化钛的可见光响应和提高光催化效率的关键。其中非金属掺杂中的氮掺杂被认为是最有效的手段之一。大量科学实验结果表明，在二氧化钛中掺杂氮替代少量的晶格氧可以使二氧化钛的带隙变窄,在不降低紫外光下活性的同时,
使二氧化钛具有可见光活性，并减少光生电子一空穴对复合几率，从而有效改善二氧化钛光催化的局限性。但由于氧钛的结合能高于氮钛键的结合能，氮离子难以进入二氧化钛晶格实现掺杂，所以尽管在氮掺杂纳米二氧化钛制备方面已开展了大量的研究，但氮掺杂纳米二氧化钛的的产业化制备进展依然缓慢，目前国内外尚无商业的高可见光活性的氮掺杂纳米二氧化钛产品供应市场。山东亿康环保科技公司与北京科技大学研究团队联合攻关，突破了具有自主知识产权的可见光光催化技术瓶颈，已经实现了高可见光活性氮掺杂纳米二氧化钛光催化产品规模化生产。
四、氮掺杂纳米二氧化钛的规模化制备
如何把氮掺杂到纳米二氧化钛之中是解决二氧化钛光催化局限性的核心技术。而如何制备出真正具有实际使用价值的纳米尺度氮掺杂二氧化钛光催化产品又是这一课题的技术关键。北京科技大学研究团队以普通工业原料按一定比例混合制成混合溶液系统，然后进行低温快速水热合成后得到锐钛矿相氮掺杂纳米二氧化钛粉体。基于上述创新成果所申报的中国发明专利“一种氮掺杂锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法”于2007年6月获得授权，填补了这一技术的国内国际空白。山东亿康环保科技公司与北京科技大学研究团队实施战略合作，实现了吨级/年纳米二氧化钛粉体的规模化制备，并完成了纳米二氧化钛光催化喷剂中试线建设和试生产，计划总投资10亿元，一期已完成投资3亿元，初步建成了占地100亩、年产能5000吨、产值50亿元的氮掺杂纳米二氧化钛生产研发基地。
五、氮掺杂纳米二氧化钛的市场前景
纳米二氧化钛经过氮掺杂后，把光的吸收范围从5%的紫外光提高到43%的可见光，展示出十分开阔的市场发展前景。目前，山东亿康环保科技公司开发的氮掺杂纳米二氧化钛光催化产品已经广泛应用于空气净化、污水处理、抗菌除臭以及防雾自清洁等四大方面。据权威部门统计数据表明，目前我国室内（车内）环境净化产业总体规模已达960亿。全国医疗卫生机构数达98.7万个，各级各类学校
51.4万所，拥有校舍建筑面积总量达29.9亿平方米，如能在医疗、教育、银行、各级政府办公场所、公共服务大厅等大面积普及使用，市场额度可达千亿元。目前我国年产墙砖10亿平方米，如有1%采用自洁功能，产值就可达十亿元左右，如能在建材领域广泛应用，市场可达千亿元。根据环保部门测算，“水十条”的实施将直接购买环保产业产品和服务超过1.4万亿元。光催化技术作为最好的深度净化技术之一，如能占有1%的市场份额，市场就可达百亿元。随着氮掺杂纳米二氧化钛光催化产品工业化生产和功能性应用发展的日趋成熟，它在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生等领域的技术革命中将起到不可低估的作用。
参考文献：北京科技大曹文斌教授、刘文秀博士有关论文与成果
加载中，请稍候......
喜欢
加载中…