Co掺杂TiO2光催化治理污染物的研究进展

雷景程

  辽宁大学环境学院 辽宁沈阳      110036

摘要：本文介绍光催化技术的原理、制备方法、表征分析以及在不同领域的应用。对近些年光催化研究领域的一些动态进行汇总梳理，对研究现状进行总结，简要分析当前研究阶段的进展及不足，以便科研新手上路。

关键词：光催化；Co掺杂；二氧化钛

引言

光催化是利用光激发半导体，产生电子和空穴，产生的电子和空穴会与其他物质产生自由基，参与氧化还原反应。以TiO2为催化剂有诸多优势，TiO2催化性能好、生产成本低、制备简单。是目前最广泛应用和研究的催化剂之一。但存在禁带宽、对光的利用率低、吸收光阈值高等缺点。在提高光催化剂活性的方法中，掺杂改性是一大研究热点。光催化在很多领域应用，均有显著效果[1]。

1研究现状

藤岛昭和本多健一在1972年首次提出：在光照条件下，TiO2能让水分解，生成氢气和氧气。此后光催化不断发展研究。

近些年，在环境治理方面的应用更加广泛，几乎可用于各类污染物的降解。光催化技术可以有效处理难降解有机污染物，产物大都为无污染的小分子物质，以二氧化碳和水为主，几乎不产生二次污染。

2制备方法

TiO2的制备方法很多。根据所需反应物的形态与状态，采用不同的制备方式。一般分为：气相法、固相法、液相法。

气相法中较常采用的是气相氧化法；固相法因操作简单而被广泛应用；液相反应工艺成本低、反应简单，常用的有：溶胶-凝胶法、水热法、W/O法等。

3Co掺杂TiO2光催化剂的表征

3.1XRD表征

图2.1 (a) 不同煅烧温度的XRD图；(b) 不同钴含量的XRD图[2]

陈庆孔[2]等设计一种新型的Co-TiO2耦合体系，采用两种非均相高级氧化工艺，一种是基于硫酸根的类Fenton反应，另一种是可见光催化技术，用于有机污染物的降解。

3.2TEM表征

图2.2 样品的 TEM 照片（×190000倍）[3]

张前程等[3]制备粒径在10nm—30nm之间的Co掺杂超细TiO2。图中较大的颗粒主要是金红石型TiO2；粒径较小的颗粒尺寸在10nm—20nm范围内，其中锐钛矿型TiO2占主要部分。

3.3UV-vis DRS表征

图2.3 纯TiO2与五种改性TiO2样品的DRS图[4]

Abderrahim等[4]通过共掺杂，制备TiO2基纳米材料。结果表明，掺杂的TiO2基纳米材料的晶体结构在很大程度上取决于掺杂离子的性质。

4Co掺杂TiO2光催化剂的应用

在实践过程中，光催化技术广泛应用于各方面，在水体污染治理、大气综合防治、土壤污染、固体废物治理等方面均发挥积极作用。

4.1用于抗生素的降解

抗生素在现代被广泛的应用，造成严重污染，利用光催化技术可使抗生素大分子物质发生氧化还原反应，将抗生素分子分解为小分子物质，最终矿化为二氧化碳和水。

4.2用于挥发性有机污染物的治理

徐遵主等[5]在长三角典型城市的调研报告中表明：单独使用光解/光催化处理VOCs的体系，净化效果较差；在实际应用中，将多种工艺组合使用效率高于单一工艺处理系统，效率明显提高。

4.3在生态道路上的应用

吴蕾[6]等在建设水泥混凝土、沥青路面和道路附属设施过程中引入纳米TiO2光催化技术，使道路在一定程度上对汽车所排放的尾气进行净化，取得一定成效。

4.4用于处理印染废水

刘佳等[7]制备Co掺杂TiO2样品，将印染废水经生化处理后的二级出水收集起来，用光催化技术处理，检测出水，处理后的印染废水COD值达到排放要求，处理效果明显提高。

5结论和展望

光催化处理污染物，有反应耗能低、二次污染小、效果好等优点，应用前景广阔，但也存在问题：对自然光的利用率低，综合效率不高。目前大多关注于改性修饰来提高TiO2的光催化活性和对太阳光的利用率，较少有人关注其原理与机制。研究者期待其大规模应用，而在投入工程化应用的过程中，仍存在许多实际问题。

参考文献

[1]张杰,李希鹏,崔野.提高TiO2光催化性能的研究进展[J].化工新型材料,2011,39(08):30-32.

[2]Qing Kong Chen, Fang Ying Ji, Qian Guo et al. Combination of heterogeneous Fenton-like reaction and photocatalysis using Co–TiO2 nano catalyst for activation of KHSO5 with visible light irradiation at ambient conditions[J].Journal of Environmental Sciences,2014,26(12):2440-2450.

[3]张前程,张凤宝,张国亮 等.超细钴掺杂二氧化钛的制备、表征及气相光催化性能[J].燃料化学学报,2004(02):240-243

[4]El Mragui Abderrahim, Zegaoui Omar, Daou Ikram et al. Preparation, characterization, and photocatalytic activity under UV and visible light of Co, Mn, and Ni mono-doped and (P,Mo) and (P,W) co-doped TiO2 nanoparticles: a comparative study.[J]. Environmental science and pollution research international,2019,28：790-799

[5]徐遵主,陆朝阳,张纪文 等.长三角典型城市工业VOCs处理技术应用状况分析[J].环境工程,2020,38(01):54-59.

[6]吴蕾,陈慧,李学硕 等.纳米TiO2光催化技术在生态道路中的应用研究进展[J].化工新型材料,2019,47(01):33-37.

[7]刘佳.铁、钴掺杂纳米TiO2制备工艺及其在纺织印染废水处理中的应用[D].宁夏大学,2015.