自从发现二氧化钛的光催化性质,远大前程已经放在这个半导体材料。非常有前途的应用程序中,除了废水水净化,空气质量改善大气污染物的光催化降解。初步调查与二氧化钛在路架构完成,涂料和室内油漆,然而,令人信服的结果没有显示关于空气质量的改善。因此有必要寻求方法,增加注册的二氧化钛的光催化效率。通过适当的掺杂锐钛矿超细二氧化钛的改性,效果可以显著增大,从而导致大量增加污染物分解的速率。
从颜料清洁(净化器)
二氧化钛本身固有的清洗性能。1916年以来第一个商业生产,它是迄今为止最重要的白色颜料的产量。由于其非凡的光散射能力和高亮度,纳入,例如,涂料、塑料、纺织品和纸,确保与良好的覆盖白色或明亮的颜色。它作为增白剂等药物粉末和平板电脑。二氧化钛还用于化妆品,药膏,在太阳紫外线屏蔽剂霜,在普通牙膏。随着添加剂“E171”,甚至咳嗽添加到食品,如巧克力或糖果。创新过程生产薄二氧化钛薄膜在最近的几十年里大幅扩大了应用范围。这样的薄膜,折射率高,感兴趣的主要为光学应用程序或功能的电影在气体传感器。
除了有趣的光学和机械性能,结晶二氧化钛也表现出光催化活性。这个属性首次关注是在1972年,当时日本工人本田和Fujishima确定水的光催化裂变成氢和氧二氧化钛粒子的表面上。自那时以来,强化科学研究一直致力于二氧化钛的光催化效应分解的多样化,通常有机化合物。
1995年,研究人员发现另一个有趣的效应与光催化性能密切相关:光诱导,可以用来使二氧化钛亲水。紫外线照射的水晶dioxide-coated钛表面降低这些表面的水接触角小于10°,这样躺在表面汇集形成薄水滴的电影。这种光诱导效应在许多应用程序和利用仍然是一个巨大的技术和商业潜力。
可能光催化二氧化钛的应用领域包括空气和水净化植物;pollutant-adsorbing、自洁清洗或电影在玻璃窗,外观和公路涂料;和防雾片镜子和眼镜。
二氧化钛性质和结构
二氧化钛性质和结构二氧化钛或(IV)氧化钛,钛工业,目前最重要的化合物。它在1791年由英国人首次被发现,威廉·格雷戈尔。四年后,德国化学家,海因里希Klapproth,名叫巨大数据后的化学元素在希腊神话中,泰坦。钛是一种过渡金属,0.4% w / w的地壳。这是第十个最丰富的元素碳,磷和硫。在自然界中,它总是发现的化合物。最重要的钛矿物包括钛铁矿石(钛铁矿)和矿物二氧化钛的衍生品,金红石、锐钛矿和板钛矿。钛酸钙钛矿和榍石()也值得一提。
在正常情况下,二氧化钛是一种无毒、无色固体。不溶于水,在有机溶剂、碱、酸,除了集中硫酸和氢氟酸的酸。
二氧化钛的三个修改的热力学稳定性
-金红石(正方晶体),
锐钛矿(正方晶体),
板钛矿(斜方晶系的晶体),
减少上面列出的顺序。在所有的三个结构,每个钛原子包围了八面体的六个氧原子,形成一个TiO6八面体。修改这三个不同的正八面体的方式排列。金红石是通过两个链接,通过三个板钛矿和锐钛矿通过四个边缘与周边正八面体(图1)。金红石是最稳定的改性的二氧化钛。锐钛矿和板钛矿变化monotropically(即。,irreversibly) at temperatures above ~700 °C into rutile.
二氧化钛作为光催化剂
带隙的光催化应用非常重要。在纯锐钛矿,带隙3.2电动汽车;金红石是有点小3.0 eV。由于这个带隙的大小,二氧化钛是一种半导体(图2)。半导体具有光吸收可以导致所谓电子从价带兴奋通过带隙进入导带。吸收的能量必须至少对应的价带和导带之间的能量差。空电子的位置,被称为洞,然后留在价带形成电子空穴对(也称为激子)。有尽可能多的负面有正电荷,半导体晶体作为一个整体是中性的。
在这一步中,导带的电子减少perhydroxyl氧自由基(HO2·);价带中的空穴,另一方面,氧化水羟基自由基(·)(图3)。随后,高活性羟基和perhydroxyl自由基反应和氧化有机和无机化合物成无害的二氧化碳和水或水溶性盐(图3 e)。
小带隙掺杂
锐钛矿和金红石之间,前者表现出更高的光催化特性,由于其较大的带隙。但这与其说是由于更高的氧化电位(价带位置的锐钛矿和金红石几乎是相同的),而是由于导带的位置相对于大气中的氧气的锐钛矿,在还原过程中,活性自由基形成。金红石传导带位于低于锐钛矿,所以它的位置,与大气中的氧气,不太有利。激发电子锐钛矿二氧化钛的改性,必要的由于带隙波长位于紫外区域为金红石在390 nm和415 nm。当太阳作为照射源,不到10%的排放辐射谱能有效用于光催化。因此,二氧化钛作为光催化剂,直到现在,有限的。
一个可能的方法来缩小锐钛矿带隙为了使用的光催化效果显著更大范围的波长是兴奋剂,其中包括引入特定的晶格缺陷。理论选项包括交换阳离子或阴离子产生缺陷晶格结构。获得的缺陷导致能带结构修改,这会导致中间水平的形成或扩大原有的乐队(图4)。
碳是一个合适的掺杂二氧化钛的元素。通过引入碳原子晶格,带隙3.2 eV(纯锐钛矿)减少到2.32 eV (carbon-doped版本)和所需的激活波长carbon-doped版本转移到535海里。因此,改性二氧化钛有更有效的光谱窗口(紫外线和可见光> 400海里)比目前的锐钛矿催化剂。
光催化分解氮氧化物和醛
空气污染在大城市和工业领域正在成为国际关注的问题。特别是,氮氧化物造成的大气污染、苯和醛是稳步增加。根据最新的气候报告,氮氧化物对温室效应的影响远远大于等量的二氧化碳。此外,相关的健康危害造成的氮氧化物和醛是众所周知的。迫切需要减少这些环境损害的化合物是毋庸置疑的。光催化物质的使用,以帮助改善空气质量已经研究了好几年。2002年,例如,7000平方米的路面满是光催化,在米兰做材料,导致减少60%的氮氧化物的浓度。在日本,类似的调查使用photo-catalytic水泥和铺路石导致明显减少空气污染。
光催化二氧化钛用于发展的建筑材料和涂料进一步更有效地消除污染物的重要一步。188金宝搏bet官网carbon-doped催化剂的光催化过程也可以由人工或漫射光源,这样这些光敏基质也允许所需的分解反应在阴暗的领域,如建筑的北面,在隧道和地下通道和多层停车场。研究分解氮氧化物和醛表明carbon-doped二氧化钛可以消除这些的主要比例和相关的污染物。的分解是一个例子1 ppm一氧化氮气体流的三升每分钟在光催化表面辐射和紫外线或可见光。一氧化氮浓度后,光催化反应是衡量使用荧光检测器的灵敏度1磅。结果一氧化氮浓度如表2所示。
二氧化钛
二氧化钛的商业生产开始于20世纪的第二个十年。在世界范围内,~ 550万吨/年的生产二氧化钛(2007),其中四分之三来自杜邦、利安德(年),Tronox,洪博培Tioxide和二氧化钛。二氧化钛生产的原材料主要是钛酸铁,一个黑色,与化学公式FeTiO3闪亮的固体,通常混合磁铁磁铁(氧化铁)和其他脉石矿物。少见的金红石钛矿石,其中包含铁少,也使用。通过露天开采矿石。最重要的存款在欧洲是在挪威(Ekersund-Soggendal),芬兰和Ilmen山脉(乌拉尔南部)。也有存款在加拿大、澳大利亚和美国。获得钛矿石或含钛渣是第一个粉碎,然后磁的细碎的一部分分离使用强大的电磁铁。它是由准备进一步纯化水悬浮液,发生沉降和浮选分离。这个钛矿石处理进一步通过硫酸或氯化过程。生态原因(稀酸的形成)硫酸过程中较少使用
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