工业水处理, 2021, 41(10): 8-13 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2020-0765

专论与综述

染料敏化TiO2光催化剂的研究进展

汤晓蕾,1, 董延茂,1, 袁妍1,2, 杨雨杰3

1. 苏州科技大学化学与生命科学学院, 江苏苏州 215009

2. 苏州科技大学江苏省环境科学与工程重点实验室, 江苏苏州 215009

3. 苏州科技大学环境科学与工程学院, 江苏苏州 215009

Research development of dye-sensitized technology on TiO2 photocatalyst

TANG Xiaolei,1, DONG Yanmao,1, YUAN Yan1,2, YANG Yujie3

1. School of Chemistry and Life Sciences, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China

2. Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China

3. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China

通讯作者: 董延茂, 教授。E-mail: 2547866497@qq.com

收稿日期: 2021-06-22  

基金资助: 苏州区域水质提升与水生态安全保障技术及综合示范项目.  2017ZX07205
江苏省环境科学与工程重点实验室开放基金资助项目.  Zd1803
江苏省建设系统科技项目.  2017ZD238
2020年江苏省研究生培养创新工程研究生科研与实践创新计划项目.  SJCX20_1106

Received: 2021-06-22  

作者简介 About authors

汤晓蕾(1996-),硕士研究生E-mail:1113101507@qq.com , E-mail:1113101507@qq.com

Abstract

TiO2 photocatalyst is widely used in the degradation of organic pollutants in water due to its durability, low cost, low toxicity, super hydrophilicity and excellent chemical stability. However, the wide band gap(3.2 eV) of TiO2 leads to the easy recombination of the photogenerated electron-hole pairs and cannot make full use of visible light, which limits its practical application. Dye sensitization can extend the light response range of TiO2 to visible light region and improve its photocatalytic activity. The principle of dye-sensitized TiO2 photocatalyst, the classification of dye sensitizers, the application status and effects of different dye sensitizers are reviewed, in order to provide a reference for the application of dye-sensitized TiO2 photocatalyst.

Keywords: dye sensitization ; titanium dioxide ; photocatalysis

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本文引用格式

汤晓蕾, 董延茂, 袁妍, 杨雨杰. 染料敏化TiO2光催化剂的研究进展. 工业水处理[J], 2021, 41(10): 8-13 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0765

TANG Xiaolei. Research development of dye-sensitized technology on TiO2 photocatalyst. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(10): 8-13 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0765

非均相光催化被认为是从废水中去除有机污染物的一种高效方法1。目前,广泛使用的光催化剂有二氧化钛(TiO2)、氧化锌和氧化铁2。其中,TiO2因具有成本低、稳定性高、无毒、催化活性高、无二次污染等特点3,受到研究者的广泛关注。但由于TiO2的带隙(3.2 eV)较宽,导致其只能在紫外光照射下被活化,使其在太阳光下的应用受到限制4。此外,TiO2较低的电导率,光生电子-空穴对的快速复合以及缓慢的电荷转移速率也限制了其实际应用5。近些年,研究者已研究采取多种方法对TiO2表面进行修饰,以拓展其对光的吸收范围,进而提高其光催化效率,主要包括合成微结构和纳米结构(如球体和三面金字塔等)6、金属和非金属掺杂7、贵金属和过渡金属沉积8、与其他半导体耦合9以及染料敏化10等。在这些方法中,染料敏化被证明是一种可将TiO2的光响应扩展到可见光区域并提高其光催化活性的较为有效的方法11。综述了染料敏化TiO2光催化剂的原理、敏化剂的分类、不同敏化剂的应用现状及效果,以期为染料敏化在TiO2光催化剂中的应用提供参考。

1 染料敏化原理

未改性TiO2光催化机理和染料敏化过程机理见图 1

图1

图1   未改性TiO2光催化机理(a)和染料敏化过程机理(b)

Fig.1   photocatalytic mechanism of unmodified TiO2(a) and the mechanism of dye sensitization process(b)


未改性TiO2光催化机理主要涉及2个步骤12:(1)TiO2吸收大于或等于其带隙能的光能后,电子受到激发从VB价带跃迁到CB导带中,从而产生电子-空穴对;(2)受到电场力的作用,一部分电子-空穴对迁移到TiO2表面参与氧化还原反应,被捕获的电子和O2分子发生还原反应形成O2·-,被捕获的空穴与OH-或H2O发生氧化反应,生成·OH和H+;另一部分电子-空穴对迅速在TiO2内部或表面重新复合并消耗多余的能量。染料敏化TiO2光催化是染料吸附在TiO2的表面并通过吸收可见光以达到激发态,来自染料最高占据分子轨道(HOMO)上的电子转移到最低未占分子轨道(LUMO)上,再转移到TiO2的CB导带中13。将电子注入到TiO2的CB导带中会形成更高浓度的自由基,从而进一步提高了TiO2的光催化效率,其敏化机理方程如式(1)~(10)所示14。与未改性TiO2光催化相比,染料敏化扩大了TiO2激发波长范围,提高了光催化反应效率15

(1)

(2)

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(4)

(5)

(6)

(7)

有机物氧化

(8)

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有机物还原

(10)

2 染料敏化剂的种类

对于TiO2光催化而言,良好的敏化剂应满足以下几点要求:(1)在太阳光谱的可见或近红外区域具有高吸收性;(2)具有高稳定性;(3)能够牢固地吸附在半导体材料表面;(4)敏化剂的最低未占分子轨道(LUMO)能量必须与TiO2的导带边缘相匹配,以最大程度地减少电子转移过程中的潜在能量损失;(5)敏化剂的最高占据分子轨道(HOMO)必须低到足以接受来自空穴传导材料的电子。目前常用的染料敏化剂有3类,分别为金属有机染料、合成有机染料以及天然染料。金属有机染料主要包括钌络合物、卟啉、酞菁等,其催化活性高,但寿命较短且价铬昂贵16;合成有机染料有罗丹明B(RhB)、玫瑰红(RB)、曙红Y和荧光素等,其具有可见光吸收强的特点,但光转换效率低,化学稳定性较差17。这2种类型的染料属于难降解物质,在废水处理中很难通过常规的物理化学过程被降解18,因此其并不是二氧化钛敏化剂的最佳选择。而从水果、果肉和饮料中提取的天然染料(如叶绿素、花青素、类胡萝卜素、类黄酮和单宁酸等)因具有价格低廉、环境无害、易于提取等优点19,被认为是无机和有机染料的可行替代品,具有较好的应用前景。

3 染料敏化剂的应用

3.1 金属有机染料的应用

金属有机染料如钌络合物、酞菁和卟啉之所以能够成为TiO2的有效敏化剂,是由于钌络合物的金属和配体具有低电荷;酞菁在可见光和红外光区具有光活性;卟啉为大环分子,具有较大的离域π电子系统,在可见光范围内可强烈吸收光。虽然金属有机染料的催化活性高,但是其以过渡金属为基础,价格昂贵,且合成过程复杂并会释放出有害化学副产品,在大规模水处理中很少使用。

钌络合物是d6过渡金属类染料,其一般通过浸渍法敏化TiO2。R. A. ELSALAMONY等20使用浸渍法制备了Ru负载量为0.2%~0.8%(质量分数)的纳米结构Ru/TiO2,其中Ru负载量为0.2%的Ru/TiO2催化剂在可见光下对2-氯苯酚的去除率可达50%。I. FATIMAH等21采用三(2,2’-联吡啶基)二氯钌络合物对TiO2柱状皂石进行光敏处理,并在可见光照射下用其催化降解水中溴酚蓝,结果表明,该光敏处理显著提高了TiO2对溴酚蓝的光催化性能。温雅琼等22采用〔Ru(dpp)3〕〔(4-Clph)4B〕2制备出染料敏化TiO2/石墨烯复合材料,并用其在500 W氙灯模拟太阳光照射下降解有机染料甲基橙,降解率达到96.5%。可见,钌络合物能够将TiO2的光活性范围从紫外光有效地扩展到可见光区域,且具有高效的光催化活性。

酞菁(Pcs)由于具有较高的热稳定性、光稳定性和在可见光区域的有效吸收,被视为是一种良好的光增感剂23。在降解有机污染物领域,研究人员已通过物理吸附、共价键或静电作用在TiO2表面成功修饰得到了各种酞菁衍生物,从而形成各类酞菁/TiO2纳米复合材料。而用于光催化中的酞菁敏化剂多依赖于物理吸附,例如锌酞菁24、铁酞菁25-26、钴酞菁27、亚酞菁28等。与化学键合作用相比,物理吸附作用较弱,缺乏长期稳定性,敏化剂易于从TiO2表面解吸。因此,可通过氨基29、酰胺基30、甲硅烷基31等官能团以共价健连接酞菁和TiO2纳米粒子,其中甲硅烷基是唯一能够保持共价键且不会解离的基团,通常优选为锚定敏化剂和TiO2的基团。Guifen LU等24利用乙二氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)作为桥联连接体,成功构建了新型锌酞菁修饰的TiO2纳米颗粒,合成了ZnPc-GPTMS-TiO2。将其用于偶氮染料酸性黑1(AB1)的光降解,结果表明,其具有优异的循环稳定性且可重复使用。

卟啉也是一类常用的金属有机染料,卟啉及其类似物包括无金属卟啉、金属卟啉和超分子卟啉在自然界中广泛存在。卟啉具有较大的光吸收系数,能够在可见光范围内产生强烈吸收。与酞菁类似,卟啉的激发态能量有利于电子注入到TiO2的CB导带中,使得带有卟啉的TiO2半导体产生较高的光催化活性。其中,金属卟啉作为一种有机半导体,能与n型TiO2组成高效的Z型异质结复合光催化剂,这种Z型杂化物可以避免光生电荷载流子发生重组,并通过界面异质结提高光催化活性32。目前,已有许多金属卟啉敏化TiO2复合材料的报道。Zhonglu LI等33采用铜卟啉与TiO2溶胶在溶剂热条件下一步合成铜卟啉-二氧化钛纳米杂化物,与单独的TiO2和铜卟啉纳米颗粒相比,在金属卤化物灯照射下铜卟啉-二氧化钛纳米杂化物能有效降解4-NP。Cheng HUANG等34利用卟啉(HTPP)、卟啉锌(ZnHTPP)和卟啉锡(SnHTPP)修饰TiO2纳米粒子,并用其在可见光照射下催化降解水中甲基橙。结果表明,SnHTPP修饰的TiO2纳米粒子对甲基橙的光催化活性最高,降解率可达86%,这表明卟啉中的中心金属离子对卟啉的敏化效率有显著影响。J. MURCIA等35研究发现,以染料锌卟啉为敏化剂的TiO2纳米管催化剂是光降解甲基橙的有效材料。李佩欣等36则研究了锌卟啉/TiO2复合光催化剂的光催化效率,结果表明,加入适量的锌卟啉可以提高TiO2对甲基橙的降解率,而过多地掺入锌卟啉则会导致TiO2表面被敏化剂覆盖,降低催化效率。

3.2 合成有机染料的应用

合成有机染料包括罗丹明B、曙红Y、玫瑰红等,其与TiO2结合后均具有降解有机污染物的能力。合成有机染料虽具有成本低、可见光吸收强、氧化还原能力强等优点,但其较低的光转换效率和弱的化学稳定性限制了其广泛使用。Xue HAN等37先采用溶剂热法制备出MIL-125(Ti)催化剂,然后将粉末状MIL-125(Ti)放入罗丹明B水溶液中,在室温黑暗条件下连续混合60 min,收集产物,经离心洗涤、干燥,得到罗丹明B敏化的MIL-125(Ti)催化剂。研究表明,罗丹明B可以作为吸附质强吸附于MIL-125(Ti)表面,还可以作为敏化剂提高MIL-125(Ti)的光催化性能,罗丹明B敏化的MIL-125(Ti)催化剂对甲基橙(MO)的光催化效率可达90%。曙红Y敏化TiO2大多是将染料溶液与TiO2溶液直接混合38-40。J. A. KHAN等38采用曙红浸渍TiO2,并深入研究了制备的曙红-TiO2光催化剂对氨基苯甲酸(PABA)的降解机理。研究表明,与未经敏化处理的TiO2(带隙能3.0 eV,比表面积15.01 m2/g)相比,曙红-TiO2的带隙能显著减小,为2.75 eV,比表面积增大,为18.91 m2/g;添加SO32-可以显著提高曙红-TiO2的光催化效率,其中SO4·-、·OH、SO5·-是曙红-TiO2光催化降解PABA的主要基团,并观察到PABA的4种转化产物为氢醌、对氢醌、4-羟基苯甲酸和对硝基苯甲酸。罗丹明B和曙红Y是目前研究中最常使用的合成有机染料。Xili SHANG等41则选用商用染料CI颜料黄154(PY)和CI颜料红254(PR)敏化TiO2光催化剂,并在可见光照射下考察了其对甲基橙的光催化性能。结果表明,在195 min内,染料PY和PR敏化的TiO2对甲基橙的光催化降解率分别为89.2%和50.9%,敏化后的TiO2比纯TiO2具有更高的光催化活性。D. A. JENNYFER等42使用带有复合抛物线收集器的中试装置评估了甲基红敏化的TiO2在可见光驱动下对水中双氯酚酸的光催化降解效果,结果表明,降解率可高达99.5%。

3.3 天然染料的应用

从水果、植物和饮料中提取的天然染料(如叶绿素、花青素、类胡萝卜素、类黄酮和单宁酸等)因具有成本低、易获得、原料供应丰富且无环境危害的优势,被认为是无机和有机染料的可行替代品。T. PHON- GAMWONG等43首先采用初湿浸渍法制备了负载镁的P25催化剂(Mg/P25),再利用叶绿素和螺旋藻对P25、Mg/P25进行改性,并用其在可见光照射下催化降解水中罗丹明B。结果表明,叶绿素和镁共同修饰的P25对罗丹明B的催化活性最高,罗丹明B降解率可达85%。徐志兵等44通过溶胶-凝胶和水热法制备了Ag/TiO2催化剂,再将Ag/TiO2催化剂在叶绿素提取液中浸泡24 h,比较了敏化的Ag/TiO2催化剂在紫外光和可见光下对水中Cr6+的光催化还原能力。结果表明,经紫外光照射120 min后,敏化的Ag/TiO2催化剂对Cr6+的去除率为93.1%,而未经敏化的Ag/TiO2催化剂对Cr6+的去除率仅为59.5%;可见光照射150 min后,敏化的Ag/TiO2催化剂对Cr6+去除率达100%。D. U. CARLOS等45从棕榈树果实的甲醇中提取花青素敏化TiO2,并用于水中亚甲基蓝的光催化降解。结果表明,在可见光照射下,经敏化处理的TiO2的光催化活性比未经敏化的TiO2提高了26%。近些年,强烈黄色的荧光染料(姜黄素)也被认为可以提高半导体的光响应范围。Z. M. ABOU-GAMRA等46-48通过不同的方法使用姜黄素敏化TiO2,提高了TiO2的可见光区域光催化效率。除了叶绿素、花青素和姜黄素等染料,还有其他新型天然染料敏化TiO2的研究。Wanjie XIE等49从牛毛废料等纺织肥料中分离出天然黑色素(NM)颗粒,再采用一步法在NM表面合成TiO2纳米颗粒,制备了NM/TiO2杂化物。研究表明,其在可见光照射下具有显著的光催化活性,对甲基橙的降解率达82%。史珺等50研究发现,通过采用紫草、紫苏天然染料的碱性混合液敏化TiO2,可使TiO2在可见光区域的吸收峰增强并发生红移,并提高了其对醋酸纤维薄膜的光催化降解效果。

4 总结

染料敏化技术已被证实是提高TiO2光催化效率的有效技术之一,现已开发了多种不同染料作为TiO2的敏化剂,研究较多的染料敏化剂为金属有机染料和合成有机染料,但这2种类型的染料均存在缺陷,故近些年有多篇关于以天然染料作为敏化剂以提高TiO2光催化性能的研究报道。尽管采用染料敏化TiO2可以显著提高TiO2的光催化性能,但实际应用中仍面临许多问题。如染料敏化TiO2的光催化效率主要取决于染料的性质和含量,而染料分子自身容易发生氧化还原反应而被降解、在光催化降解有机物过程中易析出等因素会导致产生敏化剂和TiO2光催化体系的稳定性差、敏化剂使用寿命较短等问题,使得染料敏化TiO2光催化降解有机污染物局限于基础研究阶段。因此,后续研究可对现有常用染料进行改造,从天然植物中提取更多符合敏化剂性能的染料,制备绿色、环保、低成本的染料敏化剂以及采用多种染料共敏化,进一步与太阳光谱相匹配等,开发出更多具有高效率和稳定性的新型敏化剂,促进染料敏化TiO2光催化剂的广泛应用。

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