纳米光催化材料的水热法合成(2)

目前水热法制备TiO2有了很大的进展，但是还存在以下三个问题：1.二氧化钛价带导带间间隙较大，仅限于吸收太阳光中紫外光的成分，对太阳能的利用率较低；2.光生载流子很容易复合，量子产率低（不超过10%），难以适应大规模的工业处理；3.纳米颗粒进行光催化与反应体系很难分开，不能进行二次利用，从而造成很大浪费。为了使纳米TiO2光催化剂的光催化活性进一步提高，可以通过以下方法改进制备工艺：1.对二氧化钛进行修饰改性，如表面贵金属沉积、非金属离子掺杂、与其他半导体材料复合等，这样既可以拓展二氧化钛对光的利用率，还可以使电子空穴对复合概率降低，使光催化活性有了极大的提高；2.对于难分离现象主要运用负载技术，优秀的透光性是对载体材料的基本要求，载体既不影响光催化活性又可以与二氧化钛紧密结合。除此之外载体还应具有较大的比表面积，能够很好地吸附降解物。另外，二氧化钛的制备手段、形貌结构也会影响二氧化钛的光催化活性。以下就掺杂改性、形貌结构、制备方法三方面进行详细介绍。

表1 纳米功能材料各类制备方法的优缺点比较机械粉碎法 操作简单；成本低 产品容易被污染，纯度低；颗粒分布不均匀固相法固相反应法 原料处理简单，成本低廉反应速度慢；需要高温；原料细度有限，均匀性差；反应只能在界面进行，扩散困难；得到的是反应物和产物的混合体系，难分离、提纯；反应器污染产物

1.改性纳米TiO2的水热制备

当下，复合半导体、离子掺杂、贵金属沉积等方法都可以改良TiO2的光催化剂性能。为了改变TiO2的能带结构进而改善催化活性，通常在二氧化钛晶格中引入新的电荷，这种方法叫做离子掺杂。例如Zhu J F等人通过溶胶-凝胶联合水热法制得了Cr3+掺杂的锐钛矿TiO2光催化剂，发现0.15%和0.2%的掺杂浓度分别是紫外光和可见光下的最佳Cr3+离子掺杂浓度[8]。TiO2相异能级间光生电子和空穴的运输和分离在复合半导体中可以更好地进行，这使得电荷可以更好地分离。同时，使光谱响应扩展，吸收波长红移，进而可以使TiO2光催化剂能够更加高效地使用太阳光。另外，在催化剂表层上沉积贵金属形成短路微电池（电极为TiO2和金属），光生空穴从TiO2一极中产生，负责氧化有机物，光生电子则流入金属极，进而还原液相中的氧化态成分，从而使得电子与空穴减少复合，改善光催化剂活性。上述改性方法均可以通过水热氧化法实现。

2.不同形貌纳米TiO2的水热制备

纳米TiO2的形貌以及结构都会对催化活性有一定的影响。目前为止已经有许多水热法制备纳米TiO2光催化剂的成功案例，而这些TiO2的形貌结构也不尽相同。例如，TiO2纳米粉体包括TiO2纳米线、纳米带等（一维）、纳米TiO2薄膜（二维）、TiO2纳米球体（三维）等。Bavykin D V等利用水热法将TiOSO4作为钛源，获得了光催化活性较好的TiO2粉体，并对反应物浓度、反应时间对产物形态、晶型以及光催化活性的影响进行了探讨与实验[9]。Yu J G等以TiF4为钛源在微米级的模板上，通过低温水热条件下使用模板自消融法制备出了纳米介孔锐钛矿相TiO2空心微球，制备出的产物催化活性令人满意[10]。

3.水热法与其他技术方法联用改进

掺杂改性、形貌结构是纳米二氧化钛制备方面中科学家热衷的研究方向。除此之外，近些年为了更加高效地制备出高性能的产物，多种合成技术联用也成为研究的热点内容。具体的联用方法笔者不再赘述，感兴趣的读者可查阅相关资料进行了解。

四、结论

笔者介绍了水热法的特点和原理，并将水热法与其他的纳米材料制备方法进行比较。可以看出水热法具有可直接得到良好结晶的粉体、晶粒线度适度可调、低耗能高产出、可制备粉体种类多、工艺较简单等独特的优点，这些优点使水热法在制备纳米功能材料方面具有优势。光催化材料是一类典型的纳米功能材料，将水热法用于制备纳米光催化材料，可以获得不同形貌、不同结构、不同性能的目标产物，是一种理想的光催化材料制备手段。随着科研工作者对水热法的改良与发展，其应用范围将进一步扩大，在纳米功能材料制备中展现的巨大潜力在未来的高科技领域中将表现出更加广泛的应用前景。

[1]张立德，牟季美．纳米材料与纳米结构[M]．北京：科学出版社，2001.

[2] An Y，Feng S，Xu Y，et al．Hydrothermal Synthesis and Characterization of a New Potassium Phosphatoantimonate，K8Sb8P2029·8H20[J]．Symposia of the Society for Experimental Biology，1996（21）：118.

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0208/341.html