二氧化鈦（TiO2），工業(yè)上俗稱，鈦白粉，也是一種典型的半導(dǎo)體光催化劑。碳酸鈣（CaCO3）常見的無機(jī)非金屬粉體，用途廣泛的填充劑。將碳酸鈣顆粒作為載體負(fù)載納米TiO2制備復(fù)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(shí)現(xiàn)納米TiO2應(yīng)用回收和循環(huán)利用，同時提高碳酸鈣的利用價值。
1納米TiO2光催化技術(shù)
光催化技術(shù)是治理水污染和環(huán)境修復(fù)的理想途徑之一，而優(yōu)化光催化劑使用條件，充分發(fā)揮催化劑的功能作用，實(shí)現(xiàn)催化劑減量、降低催化劑成本等相關(guān)研究，對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。
納米TiO2具有無毒、無污染、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，是目前研究和應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)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(huán)境中3000多種難降解的有機(jī)化合物，對水體污染治理和復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)有重要作用。
但納米TiO2也存在應(yīng)用瓶頸，有幾個重要的缺陷需要彌補(bǔ)。例如，納米TiO2表面能高，極易團(tuán)聚，導(dǎo)致比表面積降低和活性位點(diǎn)減少，從而使光催化活性不能有效發(fā)揮；納米TiO2電子-空穴對壽命短，循環(huán)利用率低；納米TiO2在水體中使用時流失嚴(yán)重，回收困難。
為了突破納米TiO2在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用難題，人們在負(fù)載型TiO2光催化材料方面進(jìn)行了大量的研究。
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(jī)和有機(jī)兩種類型，其中無機(jī)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(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，透光性好，且可以根據(jù)需要加工成各種形狀的反應(yīng)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(jìn)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(diǎn)，常見的金屬載體有多孔鈦、鈦網(wǎng)、不銹鋼等。由于有機(jī)物能被TiO2光催化降解，所以有機(jī)載體的應(yīng)用受到了限制。
3納米CaCO3-TiO2光催化劑復(fù)合材料
納米碳酸鈣，制備技術(shù)相對成熟，產(chǎn)品具有純度高、白度高、比表面積大等特點(diǎn)，在磁性及催化性方面具備巨大優(yōu)勢。從CAT-CC復(fù)合光催化材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)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(fù)載，使自身分散性提高，增加活性位點(diǎn)和光吸收面積；TiO2與CaCO3在界面處形成化學(xué)鍵合，使TiO2的光生電子形成新的傳輸通道，進(jìn)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(fā)生表面化學(xué)鍵合而牢固結(jié)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(jìn)行回收和循環(huán)利用，從而降低TiO2用量和使用成本。
案例一：濕法研磨碳酸鈣負(fù)載性能占優(yōu)
徐卓群等對碳酸鈣-TiO2復(fù)合光催化劑的結(jié)構(gòu)與機(jī)理進(jìn)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(tuán)聚的問題，提高了光催化效率，減少了TiO2的用量，提高了應(yīng)用回收和循環(huán)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(fù)合材料，在液相條件下TiO2負(fù)載更加均勻，進(jìn)一步增大比表面積，活性位點(diǎn)增加；通過打散干燥等處理，TiO2與碳酸鈣之間結(jié)合的更加緊密，又進(jìn)一步提高催化效率。
案例二：提高催化劑回收率和循環(huán)性
為提高納米TiO2光催化降解污染物效率，減少使用量并實(shí)現(xiàn)回收與循環(huán)利用，拓展碳酸鈣的應(yīng)用領(lǐng)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(fù)載方式制備了CaCO3-TiO2復(fù)合光催化劑，對CAT-CC性能、結(jié)構(gòu)和機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明，TiO2顆粒分散良好，并與CaCO3在界面形成了化學(xué)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(shù)（E）值達(dá)到93%，說明短時間離心即可實(shí)現(xiàn)CAT-CC從水體中分離，驗(yàn)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(shù)（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(huán)使用性能對比 催化劑的循環(huán)使用性能可反映其穩(wěn)定性，影響實(shí)際應(yīng)用成本。孫思佳考察了CAT-CC的循環(huán)使用性能，實(shí)驗(yàn)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(dá)到90%。上述結(jié)果表明，CAT-CC具有優(yōu)異的循環(huán)使用性能，可節(jié)約成本。
4結(jié)語
目前納米TiO2光催化技術(shù)相關(guān)研究眾多，對新載體的實(shí)驗(yàn)，備技術(shù)的優(yōu)化，以及不同改性劑組合嘗試等等。其中，大多數(shù)研究都處在實(shí)驗(yàn)階段，加快研究進(jìn)度是第一要務(wù)。另外，對環(huán)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(fù)載納米TiO2復(fù)合光催化劑制備及性能研究，中國地質(zhì)大學(xué)
劉穎，等：TiO2光催化劑的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展，東北石油大學(xué)
魏晨光，等：負(fù)載型TiO2光催化劑在廢水處理中的應(yīng)用，沈陽建筑大學(xué)