介孔二氧化钛的应用

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摘 要：介孔二氧化钛由于其独特的电学和光学性质而被广泛研究。具有高表面积和孔径均匀的介孔二氧化钛材料被应用在众多领域。这里主要综述了介孔二氧化钛在光催化，太阳能电池，锂离子电池，传感器和催化剂载体方面的应用。

关键词：介孔二氧化钛材料；光催化；太阳能电池；传感器

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.24.047

0 引言

最近研究发现二氧化钛应用在光催化能够分解净化各种各样在水和空气中的污染物，实现环境净化。另一方面，在染料敏化太阳能电池（DSSC）应用中，介孔二氧化钛具有高表面积和大的孔径率常常能满足高效率的需求。此外介孔TiO2在锂离子电池、传感器和催化剂载体方面的应用也被广泛的研究。

1 介孔二氧化钛在光催化中的应用

氢被认为是未来的理想燃料。目前，商业生产氢（高达95%）主要来自于化石燃料。由于其成本低和清洁可再生的过程，光催化分解水成为一个有前途的替代品。二氧化钛被已经证明是作为用于光催化最优选的半导体之一，由于其适当的带隙和位置，高量子效率，无毒性，成本低，并长期稳定，这已被广泛用于在光催化水分解为氢代，以及在水和空气净化污染物分解上。TiO2是在光催化水分解中最广泛使用的半导体。

在光催化分解水的过程中主要有三个步骤（图1）：（1）通过半导体光催化剂的光子吸收形成电子 - 空穴对；（2）载体分离和迁移到

催化剂表面上；（3）氧化还原反应，以产生H2和O2。在第二步骤中，为了最大限度地减少缺陷载体（电子和空穴）复合，并实现高分离效率，通常期望光催化剂具有理想的高结晶度。在第三步骤中，期望有一个大的光催化剂表面积，因为它可以提供更多的吸附和反应位点。介孔TiO2作为光催化水分解过程的半导体光催化剂无论是高结晶度和大表面积都是非常理想的。

最近环境保护受到越来越多的关注，多相光催化环境清理一直是最活跃的领域之一，由于光催化生成电子空穴对的同时没有创建有害副产品，被认为是一个绿色的方法。根据氧化还原每一个吸附物的潜能（或能量）会发生自发吸附在流体阶段（气体或液体）：实现接受分子的电子转移收益，而积极的空穴转移到供体分子上。光催化反应的发生，可使有机和无机化合物，甚至微生物降解或转化为较少的有害物质。作为与光催化水分解类似，需要二氧化钛的高结晶度和大表面积达到一个高的光催化活性。

增加活性的另一种方法是通过掺杂的方法增强二氧化钛材料对可见光的吸收。Liu等发现了可大大增强可见光吸收和光催化活性的高B/N掺杂介孔TiO2。他们提出，形成B掺杂二氧化钛的氮化后在表面上形成O-Ti-B-N的结构。B/N掺杂的介孔二氧化钛的罗丹明光降解反应活性比分别在紫外的照射和可见光的照射下的未掺杂的样品高22和65倍[1]。O-Ti-B结构的存在有助于可见光吸收和O-Ti-B-N结构用作一种有效的助催化剂。O-Ti-B-N结构的形成导致便于分离和电荷载体传输，从而促进了光催化活性的良好表面结构的形成。

2 介孔二氧化钛在太阳能电池中的应用

虽然传统的光伏设备（硅基太阳能电池）可以将光子直接转换成电子，但这些电池因高昂成本与常规发电方法缺乏竞争力。相反，DSSC由于它们的高的转换效率和低成本吸引了众多目光，并且基础和实验已进行了广泛的研究阶段。截至目前，整体转换效率已被证实超过11%。典型的DSSC包含沉积在透明导电氧化物（TCO）玻璃上的TiO2纳米晶层和电解质系统以及Pt对电极（图2）。 二氧化钛的作用是从染料到TCO上的染料分子吸附和光激发电子的运输。具有10-30nm尺寸的纳米晶二氧化钛已经被用来构造一个无序的纳米多孔层。有序中孔二氧化钛膜可以表现得更好，因为高表面积的有序孔隙会提供给染料和空穴转运更好的可接近性。

3 介孔二氧化钛在锂离子电池中的应用

二氧化钛理论上可以容纳一个锂公式单元作为LixTiO2（0≤x≤1），涉及Ti4+ / Ti3+氧化还原电对。二氧化钛等提供了一些在充放电过程中有吸引力的功能有较低体积变化，较低的生产成本和低毒性。虽然二氧化钛的工作潜力对于负电极是高的，但是其在常见的电解质中的电化学稳定性和没有有害固体电解质界面（SEI）层上产生更好的超载保护和安全。锐钛矿相通常被认为是在二氧化钛的不同多晶型物中的最电活性的。使用六角孔壁结构的二氧化钛作为锂离子电池的电极材料，获得了大的比容量及高的充放电速率。大比容量起因于纳米材料的高表面积，而充放电高速率归因于介孔二氧化钛纳米管的三维网络结构。另外，Yoon等报道，空心核壳介孔TiO2球表现出了良好的循环性能和高倍率性能高容量[2]。

4 总结

总之，具有比表面积大，孔径均匀和传质开放式架构的介孔TiO2具有许多良好的应用前景。介孔TiO2在光催化，太阳能电池，锂离子电池，传感器和催化剂载体方面的应用已经被广泛研究。为了实现更加多的高效性能，具有高结晶度，混合物结晶相，特定的结晶面，不同掺杂物，特殊形态，或多功能结构（例如核 - 壳结构）的介孔二氧化钛材料仍然需要进一步的研究。

参考文献：

[1]S.Yoon，A.Manthiram，J.Phys.Chem.C 115（2011）9410―9416.