中國(guó)粉體網(wǎng)訊 二氧化鈦（TiO₂），工業(yè)上俗稱，鈦白粉，也是一種典型的半導(dǎo)體光催化劑。碳酸鈣（CaCO₃）常見的無機(jī)非金屬粉體，用途廣泛的填充劑。將碳酸鈣顆粒作為載體負(fù)載納米TiO₂制備復(fù)合光催化劑（CAT-CC），可通過降低TiO₂粒徑和提高顆粒分散性而提升功能作用，并實(shí)現(xiàn)納米TiO₂應(yīng)用回收和循環(huán)利用，同時(shí)提高碳酸鈣的利用價(jià)值。

1納米TiO₂光催化技術(shù)

光催化技術(shù)是治理水污染和環(huán)境修復(fù)的理想途徑之一，而優(yōu)化光催化劑使用條件，充分發(fā)揮催化劑的功能作用，實(shí)現(xiàn)催化劑減量、降低催化劑成本等相關(guān)研究，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

納米TiO₂具有無毒、無污染、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，是目前研究和應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體光催化材料。有研究表明，納米TiO₂可以在紫外線的照射下迅速降解自然環(huán)境中3000多種難降解的有機(jī)化合物，對(duì)水體污染治理和復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)有重要作用。

但納米TiO₂也存在應(yīng)用瓶頸，有幾個(gè)重要的缺陷需要彌補(bǔ)。例如，納米TiO₂表面能高，極易團(tuán)聚，導(dǎo)致比表面積降低和活性位點(diǎn)減少，從而使光催化活性不能有效發(fā)揮；納米TiO₂電子-空穴對(duì)壽命短，循環(huán)利用率低；納米TiO₂在水體中使用時(shí)流失嚴(yán)重，回收困難。

為了突破納米TiO₂在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用難題，人們?cè)谪?fù)載型TiO₂光催化材料方面進(jìn)行了大量的研究。

TiO₂光催化原理

2納米TiO₂光催化劑載體分類

載體光催化劑載體可分為無機(jī)和有機(jī)兩種類型，其中無機(jī)載體最為常見，包括玻璃類、金屬類和吸附劑類載體。玻璃類載體化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，透光性好，且可以根據(jù)需要加工成各種形狀的反應(yīng)器。吸附劑類載體常見的有碳材料、非金屬礦物材料以及陶瓷、硅膠等。

吸附劑類載體可通過吸附作用對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行富集，提高催化劑的光催化活性。金屬類載體具有耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)，常見的金屬載體有多孔鈦、鈦網(wǎng)、不銹鋼等。由于有機(jī)物能被TiO₂光催化降解，所以有機(jī)載體的應(yīng)用受到了限制。

3納米CaCO₃-TiO₂光催化劑復(fù)合材料

納米碳酸鈣，制備技術(shù)相對(duì)成熟，產(chǎn)品具有純度高、白度高、比表面積大等特點(diǎn)，在磁性及催化性方面具備巨大優(yōu)勢(shì)。從CAT-CC復(fù)合光催化材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)分析，納米CaCO₃做納米TiO₂的載體是很成功的。

TiO₂能在CaCO₃表面均勻負(fù)載，使自身分散性提高，增加活性位點(diǎn)和光吸收面積；TiO₂與CaCO₃在界面處形成化學(xué)鍵合，使TiO₂的光生電子形成新的傳輸通道，進(jìn)而提高光生電子和空穴的分離效率；在CAT-CC中，納米TiO₂和CaCO₃因發(fā)生表面化學(xué)鍵合而牢固結(jié)合，阻止了TiO₂降解水中污染物時(shí)的流失，并易于從水中通過沉降進(jìn)行回收和循環(huán)利用，從而降低TiO₂用量和使用成本。

CAT-CC微觀結(jié)構(gòu)

案例一：濕法研磨碳酸鈣負(fù)載性能占優(yōu)

徐卓群等對(duì)碳酸鈣-TiO₂復(fù)合光催化劑的結(jié)構(gòu)與機(jī)理進(jìn)行了研究。以碳酸鈣為載體，TiO₂增大了比表面積，解決了容易團(tuán)聚的問題，提高了光催化效率，減少了TiO₂的用量，提高了應(yīng)用回收和循環(huán)利用性能。

值得一提的是，與干法研磨相比通過濕法研磨制備的碳酸鈣-TiO₂光催化復(fù)合材料，在液相條件下TiO₂負(fù)載更加均勻，進(jìn)一步增大比表面積，活性位點(diǎn)增加；通過打散干燥等處理，TiO₂與碳酸鈣之間結(jié)合的更加緊密，又進(jìn)一步提高催化效率。

案例二：提高催化劑回收率和循環(huán)性

為提高納米TiO₂光催化降解污染物效率，減少使用量并實(shí)現(xiàn)回收與循環(huán)利用，拓展碳酸鈣的應(yīng)用領(lǐng)域，孫思佳等采用納米TiO₂濕法研磨過程解聚、分散及在CaCO₃表面負(fù)載方式制備了CaCO₃-TiO₂復(fù)合光催化劑，對(duì)CAT-CC性能、結(jié)構(gòu)和機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明，TiO₂顆粒分散良好，并與CaCO₃在界面形成了化學(xué)鍵合。

可回收性對(duì)比

加入CAT-CC的懸浮液僅離心處理1min，其回收系數(shù)（E）值達(dá)到93%，說明短時(shí)間離心即可實(shí)現(xiàn)CAT-CC從水體中分離，驗(yàn)證CAT-CC具有良好的可回收特性。相比之下，加入納米TiO₂的懸浮液在離心1minh后回收系數(shù)（E）值為60%，隨離心時(shí)間延長(zhǎng)，E值提高，但幅度不大，其分離效率低。

循環(huán)使用性能對(duì)比

催化劑的循環(huán)使用性能可反映其穩(wěn)定性，影響實(shí)際應(yīng)用成本。孫思佳考察了CAT-CC的循環(huán)使用性能，實(shí)驗(yàn)中在第1次使用時(shí)，甲基橙（10mg/L）溶液光照30min，CAT-CC對(duì)其降解率接近100%，第5次使用的光照30min時(shí)，CAT-CC對(duì)甲基橙的降解率仍能達(dá)到90%。上述結(jié)果表明，CAT-CC具有優(yōu)異的循環(huán)使用性能，可節(jié)約成本。

4結(jié)語

目前納米TiO₂光催化技術(shù)相關(guān)研究眾多，對(duì)新載體的實(shí)驗(yàn)，備技術(shù)的優(yōu)化，以及不同改性劑組合嘗試等等。其中，大多數(shù)研究都處在實(shí)驗(yàn)階段，加快研究進(jìn)度是第一要?jiǎng)?wù)。另外，對(duì)環(huán)境友好型催化劑的研究依舊較少，大量使用改性劑后催化劑難以回收，這也是亟待解決的重要問題。

參考來源：

孫思佳，等：CaCO₃負(fù)載納米TiO₂復(fù)合光催化劑制備及性能研究，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)

劉穎，等：TiO₂光催化劑的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展，東北石油大學(xué)

魏晨光，等：負(fù)載型TiO₂光催化劑在廢水處理中的應(yīng)用，沈陽建筑大學(xué)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光）

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