金属氧化物

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金属氧化物范文第1篇

The MOS System

2015

ISBN9781107005938

氧化物半导体是具有半导体特性的一类氧化物。氧化物半导体的电学性质与环境气氛有关。导电率随氧化气氛而增加称为氧化型半导体，是p型半导体;电导率随还原气氛而增加称为还原型半导体，是n型半导体;导电类型随气氛中氧分压的大小而成p型或n型半导体称为两性半导体。

本书主要介绍了金属氧化物半导体的结构、顶尖的模型、新颖的现象、目前遇到的瓶颈和挑战以及金属氧化物半导体系统在晶体管方面的应用、性能提升等内容。基于基础的静电学理论，书中介绍了理想化的金属氧化物半导体系统、物理性质、高介电氧化物的电学性质、介电常数，以及高介电材料的物理性质表征方法等内容。

全书共3部分，14章。1.前言，介绍了金属氧化物半导体技术的发展、高介电材料、金属氧化物半导体的表征等内容。第1部分 基本性质，含第2-5章：2. 金属氧化物半导体体系的基本性质;3. 栅层叠的基本性质;4. 金属氧化物半导体材料界面的电子状态;5. 块状氧化物陷阱对电子的捕获能力。第2部分 表征技术，含第6-9章：6. 费米探针技术对材料电学性能的表征方法; 7. 材料在热流状态下的电学性能表征;8. 氧化物或硅的能级排列表征方法：内部光电效应和X光光电子能谱（XPS）表征;9. 基于电子自旋的方法介绍。第3部分 金属氧化物半导体系统，含第10-14章：10. 二氧化硅介电材料的金属氧化物半导体系统;11. 高介电材料的金属氧化物半导体系统;12. 金属栅极相关内容介绍;13. 栅氧化层的电子传输特性及电流泄露;14. 高迁移率通道材料中的金属氧化物半导体系统研究。

本书的作者Olof Engstrm供职于瑞典哥德堡的查尔姆斯工业大学，在超级电容器、金属氧化物半导体技术和传感器等领域有很多研究成果，主要研究半导体量子结构和界面。

本书的读者群为电子学、电子元器件、金属材料、纳米电子器件等专业的学生及研究人员。

彭金平，博士生

（国家纳米科学中心）

Peng Jinping， Ph.D

金属氧化物范文第2篇

关键词：带电检测；装置改进；金属氧化物避雷器；电力设备；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM862 文章编号：1009-2374（2016）35-0040-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.35.019

随着我国近年来的经济发展，我国的工业、民用等用电设备都对电力网的稳定性提出了更高的要求。过去我国由于受科技水平的限制，一直采取停电检测的方式来判断电力网的可靠性，但是停电检测对整个电力系统寿命、供电需求等都造成了较大的影响，所以近年来在金属氧化物避雷器带电监测装置广泛应用之后，带电检测已经成为了常用的方法。金属氧化物避雷器带电测试装置是现代带电检测中常用的装置，但是传统装置使用过程中存在一些问题，一方面对检测结果产生影响，另一方面也对工人的工作量和安全造成影响。下文对传统的测试装置进行分析和讨论。

1 传统测试装置构造和缺点简述

传统金属氧化物避雷器带电测试装置由绝缘操作棒和金属挂钩构成，通常金属挂钩为T型，操作过程一般将导线和T型挂钩连接，然后将接出线和避雷器的底座链接，检测仪电流读数归零。传统的测试装置使用过程主要的问题就是因为T型挂钩在和导线连接的过程中很容易出现接触不良的情况。最常见的情况就是在装置连接过程中，因为两个导线一般底座接出线受力时，挂钩接出线还处于松弛状态，挂钩连接线如果存在锈蚀、老化、绝缘皮包裹等情况就会出现接触不良。另外，挂钩由于自身结构形状并没有很好的稳定性，很容易在连接引出线或者测试过程中出现滑动、歪斜现象，造成脱钩、坠落问题，一方面影响测试准确性；另一方面也会造成使用过程中安全性缺失。此外，在一些无法使用挂钩的站内，需要人员登高作业将测试导线夹在引出线上，这样就大大增加了人员的劳动量，且这种情况下无法保证人员与带电体的安全距离，极大地增加了触电风险。

综上所述，笔者认为传统测试装置之所以产生这些问题都是因为T型挂钩在某种程度上并不能够很好地适应检测工作的使用，所以对其进行改进或者装置增设是一个比较合适的问题解决方向。

2 改进装置介绍

本次研究对金属氧化物避雷器带电测试装置的T型金属挂钩进行改进，将其改进成“鸭嘴型”，并辅以弹簧装置。为了实现操作简单、可靠性、安全性高等目的，本次装置改进工作采用了弹簧蓄能装置，在开合过程都是利用机械弹簧原理将能量收集后释放，达到完美的卡扣开合功能。装置简图如图1所示，图中部分装置序号解释：绝缘操作棒11、上钳口1、下钳口2、活动钳口3、钳口凹形支架7、活动导向钳口螺纹顶杆9、伸缩弹簧8、伸缩杆固定工件10、固定板12、导线防摆动线夹14、接线端子15、接线端子16。

装置实施过程简述：

第一步：使用前：通过绝缘操作棒11转动顶杆9，使导向钳口螺纹顶杆9对钳口凹形支架4相对向下移动，释放弹簧5和弹簧8，下钳口2与上钳口1受力分离张开，打开钳口。

第二步：使用时压紧在导体上：时针转动绝缘操作棒11，顶杆9与凹形支架7由于内部的螺纹产生相对运动，使顶杆9对凹形支架7做向上运动，使得凹形支架7与伸缩杆固定工件10相对靠近，并压缩弹簧8，同时由于上钳口与凹形支架相对固定，顶杆向上运动时将向上带动下钳口，同时压缩弹簧5，实现夹紧。由于绝缘操作棒11的重力作用，在夹紧后可将绝缘操作棒11放置在地面上并保持夹紧状态。

第三步：使用后解除夹紧状态，退出：顺时针旋动绝缘操作棒11，使顶杆9向下运动，同时释放弹簧8和弹簧6压力，下钳口2受弹簧5压力张开，装置退出。

操作方法：使用前，先将测试导线与装置的固定导线螺丝紧密连接。使用时，将绝缘操作棒顺时针转动，将带动顶杆相对凹形支架做向下移动，同时释放弹簧并保持在待储能状态，然后将装置卡入需要连接的导体上，然后逆时针转动绝缘操作棒，则顶杆向上移动，弹簧充能，带动下钳口闭合并将线夹压紧在导体上，不易松动脱落，实现安全可靠。当需要解除连接时，顺时针拧动绝缘操作棒，装置上的弹簧机构将带动钳口打开，随着线夹松开而解除夹紧状态，取下绝缘操作棒。

3 分析和讨论

3.1 改进依据

本次装置改进基于传统测试装置使用过程中出现的问题，通过简单的结构改变和装置增设来实现目的。装置的改进笔者在某种程度上参考了高压接地线连接装置，其中夹紧装置和目前电力行业使用中的高压接地线的线夹具备一定的结构类似性。传统装置的操作相对于改进装置要简单一点，但是工作量相对来说要大得多，因为传统装置使用过程中要全程关注装置的固定效果和接触效果，假如出现接触不良情况，就要不断重复拆下、检查和安装等步骤，对一线的操作工人工作量和工作效率都造成了很大的困扰，这也是造成人员疲劳事故发生的一个重要因素。故此改进装置一定要解决这类问题，夹紧装置通过弹簧和钳口的配合使用，实现了测试过程中解放操作人员双手的目的，有效地减少了工

作量。

3.2 装置改进效果

预夹紧装置是本次改进过程的最大亮点，增加了预夹紧装置后，在工人进行测试导线连接工作时，只需要转动绝缘棒，夹紧装置即可实现连接工作，并且该装置是将导体和导线通过金属钳口连接，避免了连接不良情况的出现。连接后，线夹和导体基本处于理想位置，不会由于外界风力、重力等问题造成位置不良，避免了检测过程中的装置滑动、歪斜等问题也减小了角度对测试结果产生的影响，极大程度上增加了检测的准确性和安全性，也是改进工作实现装置可靠性的基本结构。另外，预夹紧装置有效地解放了全程检测过程中的操作人员，虽然仍需操作人员全程跟踪和参与，但不是全程时时参与，操作人员可以在检测间隙进行适当的休息，避免出现疲劳事故。

3.3 不足和展望

虽然本次改进通过改进夹紧装置对检测设备进行了升级，有效地解决了传统设备的问题，但是笔者在经过测试之后还发现改进装置仍然存在部分问题和改进空间。例如夹紧装置是新改进装置，在对操作人员的讲解和培训过程中不单单要讲解操作方法，更应该提供一定的原理解释；夹紧装置采用弹簧作为储能装置，在日常检测过程中，由于自然条件和保存条件的不同，夹紧装置的实际使用寿命仍待考证，笔者认为可以给夹紧装置添加硅胶或者塑料保护套，一方面能够避免线夹损坏；另一方面也能够避免绝缘操作棒的绝缘击穿。由于目前绝缘操作棒的特性，夹紧装置不能和绝缘操作棒分离出来，若需分离出来只能破坏绝缘操作棒，容易造成资源浪费，所以笔者也在改进和研发可替换式操作棒固定工件，替换不同电压等级、不同高度的试验所需不同规格的绝缘操作棒。夹紧装置在操作过程中仍然需要人力对抗机械弹簧能，所以笔者也在对下次带自动锁紧的预夹紧装置进行改进和研发，通过机械闭锁的方式来实现装置的开合和锁闭操作。

笔者通过改进金属氧化物避雷器带电测试装置也有一些感悟，我国当前的电力设备中很大一部分都是沿用发达国家的技术，其中一部分装置和设备对我国的电网适应性并不好，所以笔者认为借鉴和引用技术应该适当地结合实际的使用环境来进行升级和改造，让其更具备适应性。另外，该夹紧装置虽然能够让线夹和导体处于相对理想的位置，但是在测试过程中笔者仍然发现存在一定的检测死角，这也是对检测结果可能造成影响的因素之一。

参考文献

[1] 周新军，杨娟，黄洪波，蒯强.带电检测在金属氧化物避雷器状态检修中的应用[J].湖南电力，2016，（1）.

金属氧化物范文第3篇

【关键词】 负载型金属氧化物 煤制备氢气

1 引 言

煤热解产生的富氢气体经过富集和纯化，得到的氢气既可作为氢燃料电池或航空航天发动机的燃料，也可以作为化工原料，还可用于改善其它气体燃料的燃烧性能等，用途广泛。所以，用热解煤的方法生产的洁净或改质的燃料，既能减少燃煤造成的环境污染，又能充分利用煤中所含的较高经济价值的化合物，具有保护环境、节能和合理利用煤炭资源的广泛意义。目前，对于煤热解制备氢气相应的催化剂还没有系统的研究。本实验以γAl2O3载体负载系列氧化物为催化剂，对煤热解制备氢气反应进行研究，比较了不同负载型氧化物催化剂对煤热解产生氢气的催化反应活性的差异。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂 D/max2500TTRⅢ型X射线衍射仪;ST2000比表面测定仪;HCT2热重分析仪;SP2000气相色谱仪(北京北分天普仪器技术有限公司)。所用硝酸盐试剂均为分析纯，γAl2O3(天津化工研究设计院)。

2.2 催化剂的制备 金属氧化物负载型催化剂MXOY/γAl2O3采用等体积浸渍法制备。所需金属氧化物前驱体的量按金属单质含量计算，金属负载量为5%，催化剂的粒度为200目。

2.3 催化剂的表征 采用ST2000比表面积与孔径测定仪测定催化剂的比表面积。此仪器采用低温氮气吸附对比法，分别测定标准样品和待测样品氮气吸附量，然后根据标准样品的比表面积计算得到待测样品的比表面积。采用差热天平高温型HCT2热重分析仪器进行TGDTA 研究。载气为高纯氮气，升温速率为100 ℃/6 min， 从室温线性升温至950 ℃。采用TTRⅢ型X射线分析催化剂物相结构，入射光源为Cu靶，将粉末置于载玻片上加压制成片状，扫描范围2θ为10°～70°以及10°～90°，扫描速率8°/min。

2.4 催化剂活性评价 煤热解制备氢气的反应在固定床程序升温热解炉中进行，原料为神华电厂动力煤，元素组成为C 67.07%， H 2.71%和N 0.59%。称取煤样20 g，催化剂添加量为煤样的2%，将两者将通过物理混合的方式充分混合后，放置于热解炉的恒温区，由室温升至950 ℃，加热速率为15 ℃/min，热解气体经过除尘、干燥装置后收集，采用气相色谱法对热解所产生的氢气进行分析。气相色谱仪为经实验室改造成能够检测H2， CH4， CO等气体的专用色谱仪。

3 结果与讨论

3.1 催化剂筛选 在不同类型催化剂存在的条件下，热解产生的气体通过气相色谱法分析。在约400 ℃时，NiXOY的催化活性最强，而CoXOY则在800～900 ℃催化活性最强。其它催化剂的催化活性表现一般。为了更好地研究CrXOY， AgXOY， NiXOY和CoXOY对煤热解制氢过程的催化机理以及氧化物的最终形态，分别通过XRD， BET和TGDTA进行详尽的研究。n型过渡金属氧化物，如CrO3和AgO，在400～700 ℃内，表现出了中温催化性能;p型过渡金属氧化物，如Co3O4，在 800～950 ℃内，表现出了良好的高温催化性能。

金属氧化物范文第4篇

关键词：金属氧化物避雷器；交流幅频特性；阻性、容性电流；测试

中图分类号：TM862 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）01-0015-06

0 引言

金属氧化物避雷器MOA（Metal Oxide Arrester）具有体积小、造价低、保护性能优越、优异的非线性特性、通流量大、残压低等优点，是电力系统中重要的过电压保护设备。同时由于具有良好的能量吸收能力及电压非线性特性，作为过压保护，吸收浪涌电流元器件，氧化锌压敏电阻器被广泛应用于电子、电力系统。但是，MOA在运行期间会受到各种过电压以及外界环境因素（污浊、潮湿等）的影响而使其电气性能劣化，严重时会导致避雷器的爆炸，严重影响系统的正常运行。金属氧化物避雷器绝缘性能的任何老化，都可能导致其泄漏电流中的阻性电流成分增大、功率损耗提升，MOA阻性电流反映了避雷器运行状况，所以现对MOA的研究方向主要关注于对运行中的MOA阻性电流进行离线测试和在线监测。MOA的阻性电流提取方法主要有：基波法、容性电流补偿法、三次谐波法、相位比较法等。应用于交流电网保护电路的MOA元件长期处于交流负荷作用下，所以对MOA元件交流特性的研究也十分必要。本文对MOA阀片在不同频率、幅值的交流激励电压作用下，通过对其响应电流的测试与分析，得到I-f、IR-f的基本特征曲线，以及jR-E、D-E和相应归一化后的特性曲线，对MOA元件交流幅频特性进行了研究。

1 MOA交流并联等效电路与测试系统

通常简化的MOA非线性并联电路模型是由图1（a）所示的非线性电阻和线性电容并联构成，其中R为非线性电阻，C为线性电容，iR（t）与iC（t）分别为阻性电流与容性电流。但其所包含的非线性信息可能不完全，为了进一步研究和完善MOA的等效电路模型，我们建立了一个如图1（b）所示的非线性电阻和非线性电容并联的等效电路模型来作为本文索采用的MOA改进等效电路并对其进行初步验证.其中：Gx（u）为关于外施激励电压的非线性等效电导；Cx（u）为关于外施激励电压的非线性等效电容；iR（t）为流过MOA的阻性电流；iC（t）为流过MOA的容性电流；i（t）为MOA的总的泄漏电流；u（f）为外施激励电压。

非线性电导Gx（u）和非线性电容Cx（u）用激励电压u（t）的多项式形式来表征。根据国内外学者对非线性材料介电谱的研究，响应电流中含有谐波分量，同时考虑到MOA中不存在滤波和整流效应，电流中只含有奇次谐波分量，根据三角函数的倍角公式可知，奇次谐波可以展开成基波的奇数次方多项式，如式（1）所示。通过采用电压偶数次多项式描述的电导率和相对介电常数的计算就可以得到仅含奇次谐波分量的阻性电流和容性电流，因此多项式中只采用u（t）的偶次项。

sin3θ=3sinθ-4sin3θ （1）

所以设定非线性电导Gx（u）与电压u（t）的关系为

（2）式中n=0，1，2，……；Gx，2k为Gx（u）对应的第2k个电路参数。

与之相对应的阻性电流iG（t）为

（3）

非线性电容Cx（u）与电压u（t）的关系为

（4）式中n=0，1，2，……；Cx，2k为Cx（u）对应的第2k个电路参数。

与之相对应的容性电流iC（t）为

（5）

所以，流过MOA的总泄漏电流i（t）为

（6）

由此可知，响应电流i（t）是关于外施激励电压u（t）的非线性方程。

对于MOA的交流特性测试，由于其非线性特性，无法构造电桥，所以采用直接法进行测量，即直接测量激励电压和响应电流波形。因此，本文建立了主要包含激励电压源、测试主回路以及基于PC+DAQ信号采集3部分的测试系统。测试系统原理图如图2所示。

激励电压源部分由信号发生器（AFG3252）和高压线性放大器（Trek Model 10/40A-HS）构成，信号发生器可以发出低压波形，经由高压线性放大器放大，输出实验所需要的高电压信号。测试主回路由被测试样和高精密采样电阻组成。信号采集部分由DAQ采集卡和包含虚拟仪器测试平台的Pc机组成，能够实现激励电压和响应电流时域波形的高速、高精度同步采集。

利用上述测试系统，可以实现对金属氧化物避雷器的激励电压和响应电流的时域波形的测试。将市售的MOA阀片切割成厚度为5 mm，直径为42 mm的样品做为实验试样，对试样施加频率为50 Hz、幅值为1300 V的标准正弦波，得到如图3所示的激励电压和响应电流的测试结果。

由图3可见，对金属氧化物避雷器施加标准正弦激励电压，其响应电流不再是标准正弦波，而电流中有谐波分量。为了表征MOA交流介电特性，必须获得有关材料的交流电导和极化的信息，这些信息包含在响应电流中的阻性成分和容性成分之中。所以，本文采用文所提出的基于多元线性回归的总电流分解的方法，通过前面给出的阻性电流以及容性电流关于激励电压的时域关系式，参照激励电压在时域上将其响应电流分解如图4所示的阻性电流的时域波形和容性电流的时域波形（以激励电压频率为50 Hz，幅值为1 300 V为例）。

由图4可见，在标准正弦波激励电压作用下，其阻性电流、容性电流的波形也都为非标准正弦波，含有谐波分量。

2 试验结果与分析

首先，对试样的直流伏安特性进行了测试，得到了电流密度J与电场强度E的关系曲线，结果如图5所示。

由图5可见，该试样的J-E特性曲线具有典型的非线性特性，因此采用该试样作为本文试验的测试对象。

2.1 交流电压幅值对MOA介电性能的影响

通过图2所示的实验系统对试验试样分别在激励电压频率为50 Hz、100 Hz、300 Hz、500 Hz、700 Hz和1000Hz以及幅值为800V、900V、1000V、1100V、1200 V和1300 V的条件测的响应电流的时域波形，计算出相应的响应电流的有效值，得到如图6所示的在不同激励电压幅值下，响应电流有效值随频率变化的关系曲线。由图6可见，在相同频率下，响应电流的有效值随激励电压幅值的增加而增加。

MOA元件性能变化体现在其阻性电流的变化上，通过对响应电流的分解，得到不同激励电压幅值与频率下的阻性电流的时域波形，计算出相应的阻性电流的有效值，得到如图7所示的在不同激励电压幅值下，阻性电流有效值随频率变化的关系曲线。

由图7可见，在相同的频率下，阻性电流的有效值随激励电压幅值的增加而增加。分析出现这种现象的原因是：在频率相同时，电压幅值越大，电场对时间导数的越大，电场变化的速度越快，根据界面极化原理，MOA元件上场强就越大，电导率比相同电压下电压幅值小的电导率要大，所以其阻性电流密度随着电压幅值的增大而增大。

2.2 交流电压频率对MOA介电性能的影响

对于MOA材料而言，消除被测试样的几何结参数的影响，采用电流密度随电场强度变化的特性曲线来描述其非线性特性。根据已经测得的激励电压时域波形、分解后得到的阻性电流时域波形以及被测试样的几何结构参数，可以得到阻性电流密度一电场强度（jR-E）的曲线。本文被测的MOA阀片试样在不同频率下的jR-E特征曲线如图8所示。

由图8可见，MOA阀片的阻性电流密度随电场强度的变化表现出非线性，不同频率相同电场强度下所表现的非线性特征不同，随着频率的增高，对应电场强度下的阻性电流密度增大。分析出现这种现在的原因是：由于MOA元件的晶界处存在界面极化现象，在电压幅值相同时，MOA元件的交流等效电导率会随着频率的升高而显著增大，所以随着频率的增高，对应电场强度下的阻性电流密度增大。从图8还可以观察到，随着频率的增加，阻性电流密度随电场强度变化的特性曲线的非线性程度愈加的不明显。为了使它们之间的可比性更明显、更强，同时又能够保持不同频率下相比较的曲线之间的相对关系，通过如式（7）所示的最大最小值法对其进行归一化处理，

（7）将不同频率下阻性电流密度随电场强度变化的数据都归一化到[0，1]范围内，得到如图9所示的归一化后的不同频率下阻性电流密度与电场强度的特性曲线。

由图9可见，频率越高，阻性电流密度随电场强度变化曲线的非线性程度越不明显。我们知道流过MOA元件响应电流中的阻性成分由电导电流和松弛极化电流中的阻性电流构成，分析图9现象产生的原因为：在低频区域，松弛计划能够得以完全建立，所以阻性电流中包含有松弛极化电流中的阻性成分，而在高频区域，松弛计划跟不上外电场的变化，松弛极化不能够完全建立，阻性电流中包含松弛极化中的阻性成分变少，所以出现在低频区域阻性电流密度随电场强度变化曲线的非线性程度较大、高频区域阻性电流密度随电场强度变化曲线的非线性程度较小的现象。

同理为了消除被测试样的几何结构参数的影响，采用电位移随电场强度的变化曲线来描述其非线性特性。将分解得到的容性电流在时域上进行积分，得到电荷量的时域波形。再根据电场强度的时域波形以及被测试样的几何结构参数，得到不同频率下的D-E特征曲线如图10所示。

由图10可见，MOA阀片的电位移随电场强度的变化也表现出非线性，不同频率相同电场强度下所表现的非线性特征不同，随着频率的增高，对应电场强度下的电位移减小。分析当温度一定时，在低频区域，松弛计划能够得以完全建立，此时介电常数最大，随着频率的增加，松弛极化跟不上外施电场的变化，松弛计划不能够完全建立，介电常数减小，在相同的电场强度下，电位移与介电常数的变化规律一致，所以随着频率的增高，对应电场强度下的电位移减小。同样，对图10进行归一化处理，得到如图11所示的归一化后的不同频率下阻性电流密度与电场强度的特性曲线和不同频率下电位移与电场强度的特性曲线。

由图11可见，在不同频率下，电位移随电场强度变化的曲线没有出现和阻性电流密度与电场强度的特性曲线相似的规律；而且观察图10和图11在低场强区域出现了特性曲线存在交叉重合的现象，分析出现这种现象的原因可能是由于分解得到容性电流算法的精度和低场区试验测试误差相近造成的，后续应该提高电流分解算法的精度以及低场区试验测试的精度。

金属氧化物范文第5篇

关键词：二氧化钛 光催化氧化 污染物

Abstract: The photocatalytic technology in the processing of pollutants and has broad prospects, This paper reviews the principle of TiO2 photocatalytic oxidation of TiO2 catalyst preparation and powder type and load two forms of TiO2 photocatalytic oxidation of organic pollutantsthe application and its research and development direction.

Keywords: titanium dioxide, light catalytic oxidation of pollutants

中图分类号：X131文献标识码： A 文章编号：

光催化氧化技术作为一种高级氧化技术日益受到国内外学者的关注[1~4]。几乎所有的有机物在光催化作用下可以完全氧化为CO2、H2O等简单无机物。光催化氧化剂中尤以金属氧化物半导体TiO2最为典型。目前国内外报道的利用TiO2催化氧化有机污染物技术中，主要是利用分散相的TiO2[5,6]和固定相的TiO2 [7,8]。利用半导体催化剂进行有机物氧化的光催化氧化对环境污染问题中突出的毒性大、难生物降解的直链烃类、卤代芳香烃，如染料、农药、油类等物质具有很好的氧化分解作用，能处理多种有机污染物。此外，又由于光催化反应具有反应条件温和、设备简单、二次污染小、易于操作控制、对低浓度污染物具有很好的去除效果等优点，半导体光催化反应技术已成为污染控制化学研究的一个热点，是目前光化学方法用于污染控制的诸多研究中最活跃的领域。

TiO2的光催化氧化机理

目前TiO2光催化激励尚不成熟，一般认为光催化氧化法是以n型半导体的能带理论为基础。半导体粒子的能带结构一般都是由价带与导带构成，他们之间有禁带分开。价带上一般是填满了电子，为低能状态，导带上为空，但其为高能状态。当以能量等于或大于半导体的禁带宽度（带隙能）的光照射半导体时，价带电子被激发，越过禁带进入导带。在导带上产生带负电的高活性电子（e-），而在价带上留下带正电荷的空穴（h+），由此形成电子---空穴对，并向TiO2粒子表面迁移最终产生具有强氧化能力的羟基自由基（·OH）和活性氧（O2-），从而使有机化合物最终被降解为CO2和H2O。

反应式如下：

TiO2TiO2（e--+h+）

OH - +h+·OH

H2O+h+·OH+H +

O2+e-O2-

O2-+H2O ·OOH+OH –

2·OOHH2O2+O2

·OOH+H2O+e- H2O2+OH –

H2O2+e-·OH+OH –

光催化剂TiO2的制备

粉末型TiO2的制备[9]

近几年来，由于对TiO2的广泛深入研究，目前，制备粉末TiO2的方法很多，可概括为气相法和液相法。

（1） 溶胶-凝胶法[10,11]。

（2） 醇盐水解法[12,13]。

（3） 沉淀法[14]。

（4）水热合成法[15]。

负载型TiO2的制备

随着研究的深入,人们很快地发现悬浮态的半导体体系存在着催化剂难以回收、容易中毒,当溶液中存在着高价阳离子时,催化剂不易分散等缺点。这些缺点使得该体系难以成为一项实用的技术，于是人们把焦点转向固定态催化剂的研究和制备。Yin Zhang等分别以石英砂、硅胶、玻璃粒子、玻璃纤维等作为固定床对TiO2光降解三氯乙烷进行了研究和比较，结果发现同分散相相比,降解率有所提高。硅胶效果最佳,降解率可达分散相的3倍[16]。近两年,国内在固定相方面的研究也相当活跃,而且结果表明效果都比分散相好。目前研究的催化剂固定方法主要有两种：一种是直接将催化剂固定在反应容器内壁上；另一种是将催化剂固定在催化剂在体表面。所选用的催化剂载体大都具有质轻、比表面积大、能漂浮或固定于水中等特点，包括轻质玻璃球、玻璃纤维、砂、吸附剂（活性炭等）、硅胶等。常见的催化剂固定方法有阴极电沉积法、溶液浸渍法、溶胶—凝胶法、有机化学气相沉淀法等。

光催化剂TiO2的应用

粉末型TiO2的应用

利用分散相的TiO2粒子悬浮在水溶液中作为催化剂，在紫外光照射下进行光催化反应，由于催化剂与反应物接触表面大，所以降解效率高。一直以来，很多研究学者在实验中都采用粉末型TiO2光催化剂，研究其在一些难降解的有机污染物方面的应用。

用于废水处理。由于TiO2光催化剂在紫外光照射下能产生极具活性的羟基自由基（·OH）和活性氧（O2-），能有效的将废水中的有机污染物氧化分解并最终矿化为无害的CO2，H2O和无机物。

负载型TiO2的应用

（1）用于废水处理。不同于粉末型TiO2光催化剂，固定相TiO2是将TiO2负载于载体上，这样用于废水处理中就解决了催化剂难回收，难循环利用的问题。

（2） 用于处理垃圾填埋场渗滤液。

（3）环境净化。TiO2在环境净化中已有广泛应用，如水质净化方面已经产品化：泄漏油处理用的油分解玻璃珠,地下水、下水道污水处理用的有机氯化物处理用催化剂,防水生生物附着用的玻璃纤维布。

TiO2光催化氧化技术的研究发展方向

粉末型TiO2的研究发展方向

粉末状TiO2颗粒细小,在废水处理中易流失,回收困难.因此,对粉末TiO2催化剂进行一些改性以提高它的活性及可应用性是今后发展的主要方向。

（1）表面沉积贵金属[25,26]。在TiO2表面沉积贵金属,对提高其光催化反应效率和选择性是很有效的。常用的贵金属有Pt、Pd、Ag、Au、Ru、Nb等。在TiO2表面沉积适量的贵金属有助于载流子的重新分布，电子从费米能级较高的半导体转移到较低的金属，直至二者的费米能级相同，从而形成俘获激发电子的肖特基势垒，避免了电子空穴的负荷，电子空穴得到了有效分离，最终提高了光催化剂的光量子效率。 如在载铂二氧化钛对3B艳红染料溶液光催化降解性能的研究中发现TiO2表面担载适量的金属铂后，对染料降解的催化活性有了明显的提高[27]。

（2）表面耦合。耦合半导体是由2种不同禁带宽度的半导体复合而成，其互补性只能增强电荷分离，抑制电子空穴的复合，扩展光致激光波长范围，从而显示出比单一半导体更好的稳定性。如SnO2与TiO2两者的能级不同，光激发TiO2产生的电子从较高的导带迁移至SnO2的较低的导带。空穴的运动方向跟电子的运动方向相反，光生空穴则从SnO2的价带迁移至TiO2的价带,实现了电子和空穴的良好分离。

（3）表面敏化。敏化作用可以把电子注入半导体表面,从而扩展光催化剂的激发波长的响应范围,使之有利于降解有色化合物。实验研究表明,一些普通染料、叶绿素、腐殖酸等常被用作敏化剂，可在TiO2表面得到完全或部分降解。

（4）过渡金属掺杂。在半导体中掺杂不同价态的金属离子,不仅可以加强半导体的光催化作用,还可以使半导体的吸收波长范围扩展至可见光区域。研究表明，Fe3+,Mo5+,Re5+,Ru3+,V4+,Rh3+等能提高材料光催化活性, Fe3+效果最佳。Li+,Al3+,Mg2+,Zn2+,Ga2+,Nb3+,Sn4+等则对光催化活型的影响较小[28]。

负载型TiO2的研究发展方向

固定态的TiO2，不存在回收困难的问题，但由于其负载在载体上，所以与污染物接触的比表面积较粉末相的TiO2大大减小了，除了同样对TiO2进行适当的改性以提高催化活性以外，选择合适的载体，充分发挥载体的优势也是十分必要的。另外，可以结合其它的一些处理污染物的方法，使固定相光催化氧化技术与其他技术联用，从而更有效的对污染物进行处理。

（1）半导体复合[29]。

（2） 固定态光催化氧化技术与其他技术联用。

（3）利用太阳光能做为光源。

参考文献

[1] Wyness P. Performance of nonconcentrating solar photocatalytic oxidation.. Evirion. Sci &Technol .1994,28(3):435-442

[2] 黄慧莉. 纳米TiO2光催化降解染料溶液的研究. 环境污染与防治，2002,24(3):140-143

[3] 黄艳娥, 琚行松. 纳米二氧化钛光催化降解水中有机污染物的研究进展. 化工环保，2002,22(1):23-27