中國粉體網訊 二氧化鈦（TiO2），工業上俗稱，鈦白粉，也是一種典型的半導體光催化劑。碳酸鈣（CaCO3）常見的無機非金屬粉體，用途廣泛的填充劑。將碳酸鈣顆粒作為載體負載納米TiO2制備復合光催化劑（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，并實現納米TiO2應用回收和循環利用，同時提高碳酸鈣的利用價值。
1納米TiO2光催化技術
光催化技術是治理水污染和環境修復的理想途徑之一，而優化光催化劑使用條件，充分發揮催化劑的功能作用，實現催化劑減量、降低催化劑成本等相關研究，對促進經濟發展和環境保護具有重要意義。
納米TiO2具有無毒、無污染、性質穩定等特點，是目前研究和應用最廣泛的半導體光催化材料。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境中3000多種難降解的有機化合物，對水體污染治理和復雜生態系統修復有重要作用。
但納米TiO2也存在應用瓶頸，有幾個重要的缺陷需要彌補。例如，納米TiO2表面能高，極易團聚，導致比表面積降低和活性位點減少，從而使光催化活性不能有效發揮；納米TiO2電子-空穴對壽命短，循環利用率低；納米TiO2在水體中使用時流失嚴重，回收困難。
為了突破納米TiO2在光催化領域的應用難題，人們在負載型TiO2光催化材料方面進行了大量的研究。
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和有機兩種類型，其中無機載體最為常見，包括玻璃類、金屬類和吸附劑類載體。玻璃類載體化學穩定性強，透光性好，且可以根據需要加工成各種形狀的反應器。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廢水中的污染物進行富集，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，常見的金屬載體有多孔鈦、鈦網、不銹鋼等。由于有機物能被TiO2光催化降解，所以有機載體的應用受到了限制。
3納米CaCO3-TiO2光催化劑復合材料
納米碳酸鈣，制備技術相對成熟，產品具有純度高、白度高、比表面積大等特點，在磁性及催化性方面具備巨大優勢。從CAT-CC復合光催化材料內部的微觀結構分析，納米CaCO3做納米TiO2的載體是很成功的。
TiO2能在CaCO3表面均勻負載，使自身分散性提高，增加活性位點和光吸收面積；TiO2與CaCO3在界面處形成化學鍵合，使TiO2的光生電子形成新的傳輸通道，進而提高光生電子和空穴的分離效率；在CAT-CC中，納米TiO2和CaCO3因發生表面化學鍵合而牢固結合，阻止了TiO2降解水中污染物時的流失，并易于從水中通過沉降進行回收和循環利用，從而降低TiO2用量和使用成本。
CAT-CC微觀結構
案例一：濕法研磨碳酸鈣負載性能占優
徐卓群等對碳酸鈣-TiO2復合光催化劑的結構與機理進行了研究。以碳酸鈣為載體，TiO2增大了比表面積，解決了容易團聚的問題，提高了光催化效率，減少了TiO2的用量，提高了應用回收和循環利用性能。
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光催化復合材料，在液相條件下TiO2負載更加均勻，進一步增大比表面積，活性位點增加；通過打散干燥等處理，TiO2與碳酸鈣之間結合的更加緊密，又進一步提高催化效率。
案例二：提高催化劑回收率和循環性
為提高納米TiO2光催化降解污染物效率，減少使用量并實現回收與循環利用，拓展碳酸鈣的應用領域，孫思佳等采用納米TiO2濕法研磨過程解聚、分散及在CaCO3表面負載方式制備了CaCO3-TiO2復合光催化劑，對CAT-CC性能、結構和機理進行研究。結果表明，TiO2顆粒分散良好，并與CaCO3在界面形成了化學鍵合。
可回收性對比
加入CAT-CC的懸浮液僅離心處理1min，其回收系數（E）值達到93%，說明短時間離心即可實現CAT-CC從水體中分離，驗證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（E）值為60%，隨離心時間延長，E值提高，但幅度不大，其分離效率低。
循環使用性能對比
催化劑的循環使用性能可反映其穩定性，影響實際應用成本。孫思佳考察了CAT-CC的循環使用性能，實驗中在第1次使用時，甲基橙（10mg/L）溶液光照30min，CAT-CC對其降解率接近100%，第5次使用的光照30min時，CAT-CC對甲基橙的降解率仍能達到90%。上述結果表明，CAT-CC具有優異的循環使用性能，可節約成本。
4結語
目前納米TiO2光催化技術相關研究眾多，對新載體的實驗，備技術的優化，以及不同改性劑組合嘗試等等。其中，大多數研究都處在實驗階段，加快研究進度是第一要務。另外，對環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負載納米TiO2復合光催化劑制備及性能研究，中國地質大學
劉穎，等：TiO2光催化劑的制備及應用研究進展，東北石油大學
魏晨光，等：負載型TiO2光催化劑在廢水處理中的應用，沈陽建筑大學
（中國粉體網編輯整理/昧光）
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