量子点敏化纳米二氧化钛的研究进展

在能源与环境问题日趋严重的今天, 以半导体金属氧化物作为催化剂, 直接利用太阳光能降解环境污染物的光催化技术已成为水处理领域的重要研究方向之一[1,2,3,4]。目前, 光催化技术的发展存在两个关键问题:首先是设计并合成在可见光激发下具有较高活性的光催化剂;另一方面则是增加光催化体系的活性表面区域, 以利于光催化反应过程中的能量转移[5,6]。

1 二氧化钛的敏化

二氧化钛 (Ti O2) 作为一种金属氧化物半导体材料, 因具有活性高、稳定性好、价廉易得、对人体无害等优点而成为最受重视并广泛使用的一种光催化剂。但Ti O2材料的带隙较宽 (金红石为3.0 e V, 锐钛和板钛为3.2 e V) , 吸收波长位于400 nm以下的紫外光区, 只能利用太阳光能量的5%。除此之外, Ti O2在光催化过程中所产生的电子-空穴对的快速重结合也限制了纯Ti O2材料的光催化效果。为了提高Ti O2材料的可见光催化活性, 研究者们开展了大量工作, 结果发现将Ti O2与一些可见光响应材料复合形成异质结是一种行之有效的方法, 这种方法不仅可以提高其可见光吸收效率, 还可以阻止能量的重结合。目前, 已有很多贵金属[7]以及窄带隙纳米材料被用来与Ti O2纳米材料复合, 如Cd S[8], Bi2S3[9], V2O5[10], Ag2O[11], WO3[12], Bi2O[13], Bi VO4[14]等。

与传统的窄带隙纳米材料相比, 碳量子点 (CQDs) 作为一种新型的碳质纳米材料, 已成为一个新的研究热点。所谓量子点, 是指是由半导体材料 (通常由IIB-VIA或IIIA-VA元素组成) 制成的、稳定直径在2-20 nm的纳米粒子, 由于电子和空穴被量子限域, 连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构, 从而获得独特的量子效应。碳量子点不仅具有可调节的可见光吸收性, 独特的光催化电子转移效应和光致荧光效应, 还具有化学稳定性和生物相容性好, 易功能化的优点, 在光催化剂领域有着广阔的应用前景[15]。一些研究结果表明:碳量子可以和很多半导体材料复合以提高其可见光催化活性, 如段辉高课题组通过水热法制备了具有可见光响应性的CQDs/Fe2O3复合物, 并用来对苯和甲醇进行了光催化降解实验[16]。康振辉课题组通过水热法合成了具有良好可见光响应性的CQDs/Zn O复合材料[17]。

近年来, 在CQDs/Ti O2光催化剂的设计与合成方面也取得了重要进展。如刘建军课题组在低温条件下合成了CQDs/Ti O2纳米片复合材料, 并在可见光下对罗丹明B进行了光催化降解, 实验结果表明:与纯Ti O2材料相比, CQDs/Ti O2纳米片复合材料的可见光催化活性有了很大提高[18]。Liu等通过热裂解法制备了CQDs/3D-Ti O2纳米棒簇异质结, 产物具有很强的可见光吸收性以及光致发光效应[19]。康振辉课题组利用水热法制备了CQDs/Ti O2纳米粒子复合材料, 并对其可见光催化活性进行了研究[20]。邵名望课题组利用超声法合成了石墨烯量子点, 与Ti O2纳米颗粒复合后对亚甲蓝进行了可见光催化降解[21]。

2 结语

由于Ti O2晶体中001晶面的能量远高于其它晶面, 理论上具有更高的活性。与101晶面主导的Ti O2纳米颗粒相比, Ti O2纳米管暴露001晶面更多, 因此具有更高的光催化活性。且纳米管的中空管状结构比表面积大, 吸附能力强, 更易与量子点结合, 从而实现Ti O2材料的可见光化。但是目前关于CQDs/Ti O2纳米管的报道尚不多见, 而且相关的文献报道主要集中在新型量子点/Ti O2异质结的实验合成上, 对于光催化过程机制, 如尺寸形貌、晶面、缺陷、分子与表面的相互作用等对光催化剂电子结构性质的影响则鲜有提及。因此, 开展相应的理论计算, 模拟与分析, 研究CQDs尺寸、密度、二氧化钛纳米管形貌尺寸等因素对CQDs/Ti O2纳米管电子结构性质 (如带隙及态密度) 的影响, 对于指导CQDs/Ti O2纳米管的设计合成, 更好的理解整个光催化过程有着重要意义。

摘要：总结近年来量子点敏化二氧化钛纳米材料的制备方法及对其光电及催化性能的影响。在此基础上, 提出提高二氧化钛纳米材料光电及催化性能的方法并指出值得关注的研究方向。

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