【科普】钛白粉在催化领域中的应用-undefined

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钛白粉学名二氧化钛(TiO2 )，是一种白色无机颜料，具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料，广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等行业。随着高新技术的发展，钛白粉的应用正在从上述的传统行业向功能材料延伸，如超细颗粒、电子材料、光电催化剂、烟气脱硝以及加氢脱氮、脱硫催化剂等，特别是在催化领域中得到广泛的研究和应用。

1、二氧化钛光催化降解有机污染物

1972年Fujishima和Honda发现二氧化钛单晶电极具有光分解水的功能以后，半导体多相光催化反应就引起了人们浓厚的兴趣。1976年J.H.Cary等报导了在紫外光照射下，具有光催化氧化作用的TiO2可使难降解有机化合物多氯联苯脱氯，光催化的方法引起了广泛的重视。近年来，光催化在环境净化方面的应用越来越受到人们的重视。钛白粉作为半导体材料，其能带是不连续的，价带和导带之间存在一个禁带，其禁带宽度(带隙能，Eg)为数个电子伏特。当用光子能量大于或等于禁带宽度的光照射半导体材料时，其价电子被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上形成相应的空穴，即产生所谓电子—空穴对。在光催化的过程中，空穴具有极强的获取电子的能力(TiO2价带上空穴氧化还原电位+2.7eV)，能将水中的OH一和H2O分子转化为氧化能力和反应活性极强的羟基自由基OH，而吸附在TiO2表面的物质或溶剂中的游离氧则俘获电子形成O等活性极强的自由基，这些自由基都具有很强的化学活性，能与各种无机、有机污染物反应生成无毒无害的CO、H2O和无机物等。

主要反应过程如图。

太阳光中的紫外光能有效的对TiO2半导体材料进行电子激发，从而产生氧化性很强的自由基，但太阳光中紫外光占的比例并不大，太阳光中紫外光能量仅占4%，而可见光能量占43%，因此，为了有效地利用太阳光，研究在可见光下具有高效光催化活性的催化材料非常有意义。通过一些列的方法，如：染料光敏化、半导体复合、离子注入、金属和非金属掺杂、TiO2与H2O2复合等，可以使TiO2吸收波范围红移，充分的利用太阳光中可见光部分对TiO2半导体进行激发，增大TiO2的光谱吸收范围。

2、在烟气脱硝中的应用

电厂燃煤过程中产生的NOX是目前造成大气污染的主要污染源，因此，关于烟气脱硫脱硝的技术研究也成为环境领域的热点问题，TiO2作为一种光催化剂对NOX具有光催化氧化作用，当TiO2受到紫外线照射时所形成的具有氧化性的OH和O2自由基能将NOX中的NO和NO2分别氧化为NO2和NO3—。

选择性催化还原(SCR)技术是目前应用及研究较多的烟气脱硝技术之一，国外SCR催化剂的研究和应用主要是V2O5-WO3(MoO3)/TiO2体系为主。催化反应原理是NH3快速吸附在催化剂表面的B酸活性点，与NOx按照Eley-Rideal机理反应，形成中间产物，分解成N2和H2O，在O2的存在下，催化剂的活性点很快得到恢复，继续下一个循环。

图1 SCR催化反应示意图

钛白粉为脱硝催化剂的载体，主要对催化剂活性组分及催化助剂起机械承载和抗磨蚀作用，并可增加有效的催化反应表面积及提供合适的孔结构，使催化剂具备适宜的形状。钒的氧化物在钛白粉表面有很好的分散度。由于载体有微弱的催化能力，它减少了催化剂活性组分的用量，降低了制备成本。钛白粉作为载体在催化剂中的质量含量是最大的。所以，脱硝催化剂将会是钛白粉的又一大的应用领域。

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