Pandangan: 0 Pengarang: Editor Tapak Menerbitkan Masa: 2025-01-30 Asal: Tapak
Titanium dioksida (TiO₂) telah muncul sebagai bahan yang sangat menjanjikan dalam bidang fotokatalisis kerana sifat-sifatnya yang luar biasa seperti kestabilan kimia, bukan toksis, dan kos yang agak rendah. Photocatalysis, proses di mana tenaga cahaya digunakan untuk memacu reaksi kimia dengan bantuan fotokatalis seperti TiO₂, mempunyai banyak aplikasi termasuk pembersihan air, pembersihan udara, dan permukaan pembersihan diri. Walau bagaimanapun, aktiviti photocatalytic asli TiO₂ sering perlu dipertingkatkan untuk memenuhi keperluan pelbagai aplikasi praktikal. Dalam kajian komprehensif ini, kami akan menyelidiki jauh ke dalam pelbagai strategi dan mekanisme yang boleh digunakan untuk meningkatkan aktiviti photocatalytic TiO₂.
Sebelum meneroka kaedah peningkatan, adalah penting untuk mempunyai pemahaman yang kukuh tentang prinsip -prinsip asas fotokatalisis TiO. TiO₂ adalah bahan semikonduktor dengan bandgap ciri. Apabila foton dengan tenaga sama dengan atau lebih besar daripada tenaga bandgap TiO₂ (untuk Anatase TiO₂, bandgap adalah kira -kira 3.2 eV) menyerang permukaan bahan, elektron dalam jalur valensi teruja dengan band konduksi, meninggalkan lubang di band valensi. Pasangan lubang elektron ini adalah pemain utama dalam proses photocatalytic.
Elektron yang teruja dalam jalur konduksi boleh bertindak balas dengan penerima elektron seperti molekul oksigen yang terserap pada permukaan TiO₂, mengurangkannya kepada radikal superoxide (o₂⁻ •). Sementara itu, lubang -lubang di band valensi boleh mengoksida penderma elektron seperti air atau bahan pencemar organik yang terdapat di permukaan, menghasilkan radikal hidroksil (OH •). Radikal yang sangat reaktif ini mampu memecahkan bahan cemar organik ke dalam molekul yang lebih kecil dan kurang berbahaya melalui satu siri tindak balas pengoksidaan dan pengurangan. Sebagai contoh, dalam hal pemurnian air, bahan pencemar organik seperti pewarna atau racun perosak dapat direndahkan secara efektif oleh tindakan radikal ini.
Walau bagaimanapun, beberapa faktor boleh mengehadkan kecekapan proses photocatalytic semulajadi ini. Satu batasan utama adalah penggabungan semula pesat pasangan elektron-lubang sebelum mereka dapat mengambil bahagian dalam reaksi redoks yang dikehendaki. Di samping itu, kapasiti penjerapan TiO₂ untuk bahan pencemar dan kecekapan penggunaan tenaga ringan juga memainkan peranan penting dalam menentukan aktiviti photocatalytic keseluruhan. Memahami batasan ini menyediakan asas untuk meneroka strategi untuk meningkatkan prestasi photocatalytic TiO₂.
Doping adalah kaedah yang dikaji secara meluas untuk meningkatkan aktiviti photocatalytic TiO₂. Ia melibatkan pengenalan atom asing ke dalam struktur kisi TiO₂. Atom -atom dopan ini dapat mengubah sifat elektronik TiO₂, dengan itu mempengaruhi tingkah laku photocatalyticnya.
Terdapat dua jenis doping utama: doping kationik dan doping anionik. Doping kationik biasanya melibatkan penggantian atom titanium (Ti) dalam kisi TiO₂ dengan kation logam seperti logam peralihan (misalnya, Fe, Cu, Mn). Contohnya, apabila ion -ion Fe³ doped ke dalam TiO₂, mereka boleh memperkenalkan tahap tenaga tambahan dalam bandgap TiO₂. Ini boleh mengakibatkan pengurangan bandgap yang berkesan, yang membolehkan TiO₂ menyerap cahaya dengan tenaga yang lebih rendah daripada bandgap asalnya. Akibatnya, pelbagai spektrum solar yang lebih luas boleh digunakan untuk fotokatalisis. Dalam satu kajian oleh [nama penyelidik], didapati bahawa TiO₂ fe-doped dipamerkan dengan ketara peningkatan degradasi photocatalytic pewarna biru metilena di bawah penyinaran cahaya yang kelihatan berbanding dengan TiO₂ tulen. Kadar degradasi meningkat sebanyak kira -kira 40% di bawah keadaan eksperimen yang sama.
Doping anionik, sebaliknya, biasanya melibatkan penggantian atom oksigen (O) dalam kisi TiO₂. Sebagai contoh, doping dengan nitrogen (n) telah disiasat secara meluas. Doping nitrogen boleh mewujudkan keadaan pertengahan jurang di dalam bandgap TiO₂, yang juga boleh menyebabkan pengurangan bandgap yang berkesan dan penyerapan cahaya yang dapat dilihat. Kumpulan penyelidikan melaporkan bahawa TiO₂ n-doped dapat merendahkan bahan pencemar organik dalam air kumbahan yang lebih berkesan daripada TiO₂ yang tidak ditarik di bawah cahaya yang kelihatan. Degradasi yang dipertingkatkan disebabkan oleh penyerapan cahaya yang lebih baik dan peningkatan pemisahan pasangan lubang elektron disebabkan oleh kehadiran negara-negara pertengahan jurang.
Walau bagaimanapun, doping juga mempunyai cabarannya. Kepekatan doping yang optimum perlu ditentukan dengan teliti kerana doping yang berlebihan boleh menyebabkan pembentukan kelompok kecacatan atau pengenalan keadaan elektronik yang tidak diingini yang sebenarnya dapat mengurangkan aktiviti photocatalytic. Sebagai contoh, jika kepekatan doping kation logam tertentu terlalu tinggi, ia boleh menyebabkan rekombinasi pasangan lubang elektron meningkat dan bukannya penurunan, dengan itu mengatasi kesan peningkatan yang dimaksudkan.
Satu lagi strategi yang berkesan untuk meningkatkan aktiviti photocatalytic TiO₂ adalah untuk pasangannya dengan bahan semikonduktor yang lain. Apabila dua semikonduktor dengan tenaga bandgap yang berbeza digabungkan, heterojunction terbentuk di antara muka mereka. Heterojunction ini boleh memainkan peranan penting dalam memudahkan pemisahan pasangan lubang elektron dan meningkatkan kecekapan photocatalytic keseluruhan.
Satu kombinasi yang biasa dikaji ialah TiO₂ dengan ZnO. ZnO adalah satu lagi semikonduktor dengan bandgap yang agak sempit (kira -kira 3.37 eV untuk Wurtzite ZnO). Apabila TiO₂ dan ZnO digabungkan, perbezaan dalam tenaga bandgap mereka membawa kepada pembentukan heterojunction jenis-II. Dalam heterojunction ini, kumpulan konduksi ZnO berada pada tahap tenaga yang lebih tinggi daripada TiO₂, manakala kumpulan valensi ZnO berada pada tahap tenaga yang lebih rendah daripada TiO₂. Akibatnya, apabila cahaya diserap oleh sama ada semikonduktor, elektron yang teruja dalam jalur konduksi ZnO cenderung untuk berhijrah ke jalur konduksi tio₂, dan lubang -lubang di valensi tio₂ cenderung untuk berhijrah ke band valensi Zno. Penghijrahan arah pasangan lubang elektron ini secara berkesan memisahkannya, mengurangkan kadar rekombinasi dan meningkatkan aktiviti photocatalytic.
Kajian eksperimen telah menunjukkan keberkesanan pendekatan gandingan ini. Sebagai contoh, dalam kajian mengenai kemerosotan pewarna rhodamine B, komposit TiO₂-ZnO menunjukkan kadar degradasi yang lebih tinggi daripada TiO₂ atau ZnO sahaja. Kadar degradasi komposit adalah kira -kira 60% lebih tinggi daripada TiO₂ tulen di bawah keadaan eksperimen yang sama. Penambahbaikan yang ketara ini disebabkan oleh pemisahan pasangan elektron-lubang di antara muka heterojunction.
Satu lagi gabungan gandingan yang popular ialah TiO₂ dengan CD. CDS mempunyai bandgap yang agak kecil (kira -kira 2.4 eV), yang bermaksud ia dapat menyerap pelbagai spektrum solar yang lebih luas, termasuk cahaya yang kelihatan. Apabila TiO₂ dan CD digabungkan, heterojunction jenis-II juga terbentuk. Elektron yang teruja dalam kumpulan konduksi CD boleh dipindahkan ke jalur konduksi TiO₂, dan lubang -lubang di valensi Band TiO₂ boleh dipindahkan ke band valensi CD. Walau bagaimanapun, perlu diperhatikan bahawa CD adalah bahan toksik, jadi penjagaan khas mesti diambil apabila menggunakan komposit CDS-TiO₂ dalam aplikasi di mana ketoksikan adalah kebimbangan, seperti dalam pembersihan air untuk air minuman.
Pengubahsuaian permukaan adalah pendekatan penting untuk meningkatkan aktiviti photocatalytic TiO₂. Dengan mengubahsuai permukaan TiO₂, kita dapat meningkatkan kapasiti penjerapannya untuk bahan pencemar, mempromosikan pemisahan pasangan lubang elektron, dan meningkatkan kecekapan penggunaan tenaga ringan.
Satu kaedah pengubahsuaian permukaan biasa ialah pemendapan logam mulia di permukaan TiO₂. Logam mulia seperti platinum (PT), emas (AU), dan perak (AG) mempunyai sifat elektronik yang unik yang boleh berinteraksi dengan TiO₂. Apabila sedikit nanopartikel logam mulia disimpan di permukaan TiO₂, mereka boleh bertindak sebagai perangkap elektron. Sebagai contoh, apabila nanopartikel Pt didepositkan pada TiO₂, elektron yang teruja dalam jalur konduksi TiO₂ tertarik kepada nanopartikel PT, yang secara berkesan memisahkan pasangan lubang elektron. Pemisahan ini mengurangkan kadar rekombinasi dan meningkatkan aktiviti photocatalytic. Dalam kajian mengenai kemerosotan fenol, TiO₂ yang dipepatkan PT menunjukkan kadar degradasi yang lebih tinggi daripada TiO₂ tulen. Kadar degradasi meningkat sebanyak kira -kira 50% di bawah keadaan eksperimen yang sama.
Teknik pengubahsuaian permukaan yang lain ialah fungsionalisasi permukaan TiO₂ dengan molekul organik. Kumpulan fungsional organik boleh dilampirkan pada permukaan TiO₂ melalui pelbagai tindak balas kimia. Kumpulan -kumpulan berfungsi ini boleh mengubah sifat permukaan TiO₂, seperti hidrofobisiti atau hidrofiliknya. Sebagai contoh, jika kumpulan berfungsi hidrofilik dilampirkan pada permukaan TiO₂, ia dapat meningkatkan penjerapan bahan pencemar larut air. Di samping itu, sesetengah kumpulan berfungsi organik juga boleh bertindak sebagai penderma atau penerima elektron, seterusnya memudahkan proses photocatalytic. Pasukan penyelidikan melaporkan bahawa dengan berfungsi dengan permukaan TiO₂ dengan molekul organik tertentu, degradasi photocatalytic pencemar organik dalam air sisa dipertingkatkan sebanyak kira -kira 30% berbanding dengan TiO₂ yang tidak diubahsuai.
Tekstur permukaan juga merupakan kaedah pengubahsuaian permukaan yang berdaya maju. Dengan mencipta tekstur mikro atau nano pada permukaan TiO₂, kita boleh meningkatkan kawasan permukaan yang tersedia untuk penyerapan cahaya dan penjerapan pencemar. Sebagai contoh, dengan membuat permukaan tio₂ nano-berliang nano, kawasan permukaan boleh meningkat dengan ketara. Kawasan permukaan yang meningkat ini membolehkan penyerapan cahaya yang lebih cekap dan penjerapan pencemaran, dengan itu meningkatkan aktiviti photocatalytic. Dalam kajian mengenai pembersihan udara, TiO ₂ nano-berliang menunjukkan kecekapan yang lebih tinggi dalam menghapuskan sebatian organik yang tidak menentu (VOCs) daripada permukaan TiO₂ yang licin disebabkan oleh peningkatan kawasan permukaan dan penyerapan cahaya yang lebih baik.
Nanostructuring TiO₂ ke dalam pelbagai morfologi seperti nanopartikel, nanotube, dan nanowires telah terbukti mempunyai kesan yang signifikan terhadap aktiviti photocatalyticnya. Struktur nano menawarkan beberapa kelebihan berbanding rakan sebaya mereka.
Pertama, struktur nano biasanya mempunyai kawasan permukaan yang lebih besar untuk nisbah isipadu. Sebagai contoh, nanopartikel TiO₂ dengan diameter 10 nm boleh mempunyai kawasan permukaan ke nisbah kelantangan yang beberapa pesanan magnitud yang lebih besar daripada TiO₂ pukal. Kawasan permukaan yang meningkat ini menyediakan lebih banyak tapak untuk penyerapan cahaya, penjerapan pencemar, dan penjanaan pasangan elektron lubang. Dalam kajian mengenai kemerosotan pewarna organik, nanopartikel TiO₂ menunjukkan kadar degradasi yang lebih cepat daripada tio₂ pukal. Kadar degradasi nanopartikel adalah kira -kira 80% lebih tinggi daripada bahan pukal di bawah keadaan eksperimen yang sama.
Kedua, struktur nano boleh mempunyai sifat elektronik yang unik. Sebagai contoh, nanotube TiO₂ boleh mempamerkan pemisahan caj yang dipertingkatkan kerana struktur satu dimensi mereka. Bentuk tiub membolehkan pengangkutan elektron yang cekap di sepanjang paksi tiub, mengurangkan kadar rekombinasi pasangan elektron. Dalam kajian mengenai pembersihan air, nanotube TiO₂ menunjukkan kecekapan yang lebih tinggi dalam pencemar organik yang merendahkan daripada nanopartikel TiO₂ sfera. Kecekapan yang dipertingkatkan disebabkan oleh pemisahan dan pengangkutan caj yang lebih baik dalam nanotube.
Akhirnya, struktur nano dapat diintegrasikan dengan mudah ke dalam pelbagai peranti dan sistem. Sebagai contoh, TiO₂ nanowires boleh digunakan untuk mengarang peranti photocatalytic fleksibel. Peranti fleksibel ini boleh digunakan di kawasan seperti teknologi yang boleh dipakai untuk pembersihan udara dan air. Dalam perkembangan prototaip, peranti fotokatalik berasaskan TiO₂ yang fleksibel dapat secara berkesan merendahkan bahan pencemar organik dalam persekitaran yang boleh dipakai simulasi, menunjukkan potensi nanostructures untuk aplikasi praktikal.
Di samping mengubah bahan TiO₂ itu sendiri, mengoptimumkan keadaan tindak balas juga boleh memainkan peranan penting dalam meningkatkan aktiviti photocatalyticnya.
Satu aspek penting ialah kawalan keamatan cahaya dan panjang gelombang. Aplikasi yang berbeza mungkin memerlukan intensiti cahaya dan panjang gelombang yang berbeza untuk prestasi photocatalytic yang optimum. Sebagai contoh, dalam aplikasi pemurnian air, intensiti tertentu cahaya ultraviolet mungkin diperlukan untuk menurunkan bahan pencemar organik dengan berkesan. Walau bagaimanapun, jika intensiti cahaya terlalu tinggi, ia boleh menyebabkan pemanasan berlebihan bahan TiO₂, yang boleh menyebabkan penurunan dalam aktiviti photocatalytic. Sebaliknya, jika intensiti cahaya terlalu rendah, kadar penjanaan pasangan elektron mungkin tidak mencukupi. Oleh itu, adalah perlu untuk menyesuaikan intensiti cahaya dengan teliti mengikut keperluan aplikasi tertentu.
Pilihan pelarut atau medium juga mempengaruhi aktiviti photocatalytic. Dalam sesetengah kes, menggunakan pelarut kutub seperti air dapat meningkatkan penjerapan bahan pencemar kutub pada permukaan TiO₂ dan memudahkan proses photocatalytic. Walau bagaimanapun, bagi bahan pencemar bukan polar, pelarut bukan kutub mungkin lebih sesuai. Sebagai contoh, dalam kemerosotan sebatian organik bukan kutub dalam aliran sisa berminyak, menggunakan pelarut bukan kutub seperti heksana dapat meningkatkan interaksi antara bahan pencemar dan permukaan TiO₂, yang membawa kepada proses degradasi yang lebih efisien.
Suhu adalah faktor lain yang perlu dipertimbangkan. Secara amnya, peningkatan suhu dapat mempercepatkan kadar tindak balas kimia. Dalam konteks fotokatalisis TiO₂, peningkatan suhu sederhana dapat meningkatkan pergerakan elektron dan lubang, mengurangkan kadar rekombinasi dan meningkatkan aktiviti photocatalytic. Walau bagaimanapun, jika suhu terlalu tinggi, ia boleh menyebabkan desorpsi bahan pencemar yang terserap dari permukaan TiO₂ atau bahkan merosakkan bahan TiO₂ itu sendiri. Oleh itu, mencari julat suhu optimum untuk aplikasi tertentu adalah penting.
Daripada bergantung pada satu kaedah untuk meningkatkan aktiviti photocatalytic TiO₂, pendekatan kombinatorial yang menggabungkan pelbagai strategi sering dapat mencapai kesan peningkatan sinergistik.
Sebagai contoh, gabungan doping dan pengubahsuaian permukaan boleh menjadi sangat berkesan. Dengan doping tio₂ dengan kation logam yang sesuai seperti Fe³⁺ dan kemudian mendepositkan nanopartikel logam mulia seperti PT pada permukaan TiO₂ doped, kedua-dua sifat elektronik TiO₂ dapat diubah untuk meningkatkan penyerapan cahaya dan pemisahan pasang-lubang elektron dapat ditingkatkan lagi oleh nanopartik nanopartik yang mulia. Dalam kajian mengenai kemerosotan pencemar organik yang kompleks, pendekatan gabungan ini mengakibatkan kadar kemerosotan yang lebih daripada dua kali ganda dari TiO₂ tulen di bawah keadaan eksperimen yang sama.
Satu lagi contoh ialah gabungan nanostructuring dan gandingan dengan semikonduktor lain. Sekiranya nanotube TiO₂ pertama kali direka dan kemudian ditambah dengan ZnO untuk membentuk heterojunction, sifat elektronik yang unik dari nanotube boleh digabungkan dengan kesan bermanfaat heterojunction. Nanotube menyediakan kawasan permukaan yang besar dan pemisahan caj yang cekap, sementara heterojunction selanjutnya memisahkan pasangan lubang elektron dan meningkatkan kecekapan photocatalytic keseluruhan. Dalam kajian mengenai pembersihan udara, pendekatan gabungan ini menunjukkan peningkatan yang ketara dalam penyingkiran VOC berbanding menggunakan nanotube atau zno-tio₂ heterojunction sahaja.
Pendekatan gabungan juga menawarkan kelebihan untuk dapat menangani pelbagai batasan TiO₂ Photocatalysis secara serentak. Sebagai contoh, doping boleh menangani isu penyerapan cahaya terhad, pengubahsuaian permukaan dapat meningkatkan penjerapan bahan pencemar, dan gandingan dengan semikonduktor lain dapat meningkatkan pemisahan pasangan elektron lubang. Dengan menggabungkan strategi ini, peningkatan yang lebih komprehensif dan berkesan terhadap aktiviti photocatalytic TiO₂ dapat dicapai.
Walaupun kemajuan yang ketara telah dibuat dalam meningkatkan aktiviti photocatalytic TiO₂, masih terdapat beberapa cabaran yang perlu ditangani.
Salah satu cabaran utama ialah kestabilan sistem photocatalytic yang dipertingkatkan. Sebagai contoh, dalam kes doped tio₂, dari masa ke masa, atom dopan boleh meresap keluar dari struktur kekisi, yang membawa kepada penurunan dalam aktiviti photocatalytic yang dipertingkatkan. Begitu juga, dalam komposit yang dibentuk dengan gandingan dengan semikonduktor lain, antara muka antara kedua -dua semikonduktor mungkin merosot dari masa ke masa, yang mempengaruhi kecekapan heterojunction. Mengekalkan kestabilan jangka panjang sistem yang dipertingkatkan ini adalah penting untuk aplikasi praktikal mereka.
Satu lagi cabaran ialah skala proses photocatalytic yang dipertingkatkan. Kebanyakan kajian yang dilaporkan setakat ini telah dijalankan pada skala makmal. Ketika datang ke aplikasi berskala perindustrian, isu-isu seperti doping seragam, pengeluaran besar-besaran struktur nano, dan pengubahsuaian permukaan yang efisien pada skala besar perlu ditangani. Sebagai contoh, dalam pengeluaran nanopartikel TiO₂ untuk pembersihan air pada skala perindustrian, memastikan saiz zarah seragam dan photocatalytic yang konsisten
