2026年中考化学一轮复习教学素材：二氧化钛光催化剂

【教学素材】 二氧化钛光催化剂 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【知识链接】二氧化钛光催化剂是一种以纳米级二氧化钛为核心的具有光催化功能的半导体材料，在光照下能产生强氧化性物质（如羟基自由基、氧气等），并且可用于分解有机化合物、部分无机化合物、细菌及病毒等，广泛应用于空气净化、水处理和自清洁表面等领域。 一、二氧化钛光催化剂的工作原理 （1）光激发产生电子—空穴对：当二氧化钛受到紫外线（波长小于 387nm）照射时，价带上的电子被激发跃迁至导带，同时在价带留下空穴，形成高活性的光生电子—空穴对。 （2）生成强氧化性活性物质： ①光生空穴与表面吸附的水分子或氢氧根离子反应，生成羟基自由基（OH）。 ②光生电子与氧气反应，生成超氧阴离子自由基（O2⁻）。 （3）分解污染物：这些活性物质具有极强的氧化能力，能将甲醛、苯等有机污染物彻底分解为二氧化碳和水等无害小分子，同时破坏细菌细胞膜和病毒蛋白质载体。 二、二氧化钛光催化剂的突出优势 （1）安全无毒且环境友好：本身无毒、无味，认可为安全物质，对人体和生态环境无害，化学稳定性高，适用于食品包装、化妆品及室内空气净化等敏感场景。 （2）极高的化学与光稳定性：在光照和反应过程中不发生光腐蚀或化学腐蚀，性质稳定，可长期重复使用而不失活，本身不被消耗，只要不磨损剥落可持续发挥作用。 （3）强氧化降解能力：受光激发后产生强氧化性的羟基自由基（OH）和超氧阴离子，能高效矿化分解绝大多数有机污染物（如甲醛、苯系物）及部分无机物，最终转化为二氧化碳和水等无害物质，不产生吸附饱和问题。 （4）成本低廉：原料丰富、价格低廉，制备工艺成熟，具备大规模工业化应用的经济基础。 （5）兼具自清洁与抗菌功能：表面具有超亲水性，可实现防雾和雨水自清洁效果；同时能破坏细菌细胞壁和病毒蛋白质，具备广谱杀菌能力。 三、二氧化钛光催化剂的广泛应用 （1）空气净化：有效降解室内甲醛、苯、氨气、TVOC等有毒有害气体，将其转化为水和二氧化碳。 （2）水处理：可处理有机废水、去除水中污染物。 （3）杀菌消毒：能杀灭多种细菌、病毒，并将细菌释放的毒素分解无害化，常用于卫生洁具、医院等场景。 （4）自清洁表面：涂覆二氧化钛的玻璃、瓷砖表面在光照下具有超亲水性，灰尘和污物易被雨水冲走，保持表面洁净 。 （5）防晒抗老化：纳米二氧化钛能吸收紫外线，广泛应用于防晒化妆品、抗老化涂层材料中。 【同步训练设计】 1．纳米材料二氧化钛（TiO2）在光催化作用下，能将甲醛、苯等有害物质，降解为二氧化碳和水，提高了室内空气的质量。二氧化钛中钛元素的化合价是（ ） A．＋1 B．＋2 C．＋4 D．＋6 2．我国科学家用滤纸和二氧化钛（TiO2）薄膜制作出一种新型“纳米纸”，又在纳米纸上“铺”一层“萘胺”（C10H9N）染料，制成一种试纸，用于检测食品中亚硝酸盐浓度的高低。下列说法正确的是（ ） A．二氧化钛和萘胺都属于有机化合物 B．这种试纸是一种新型化合物 C．萘胺中C、H、N的原子个数比为10∶9∶1 D．二氧化钛中钛元素的质量分数为30% 3．纳米材料具有特殊的性质和功能，纳米二氧化钛TiO2参与的光催化反应可使吸附在表面的甲醛等物质被氧化，降低空气中有害物质的浓度。正钛酸（H4TiO4）在一定条件下分解失水可制得纳米TiO2。下列说法不正确的是（ ） A．甲醛对人体健康有害 B．纳米TiO2与普通的TiO2的性质、功能完全相同 C．纳米TiO2添加到墙面涂料中，可消除甲醛对人体的危害 D．制备纳米TiO2的反应：H4TiO4 ( 一定条件 )TiO2＋2H2O 4．阅读科普短文，回答问题。 二氧化钛作为光催化剂，其稳定性高，反应中不会发生光腐蚀或化学腐蚀；具有适合的禁带宽度，可以被紫外光激发；催化活性高，光生电荷具有足够强的氧化还原能力，对大部分有机污染物可进行催化降解和矿化。作为实际应用的材料，二氧化钛廉价易得、安全无毒。 由于二氧化钛只在紫外光区有催化作用，因此要通过改变形态、掺杂非金属或金属（铁、金等）等方法，使二氧化钛能在可见光区有催化作用，以提高催化效果。目前改变形态的方法有：通过喷雾、球磨等物理技术制备纳米管状、颗粒状的二氧化钛或让二氧化钛与氢气在高温下反应生成表面积更大且具有特殊孔隙的空心球。当二氧化钛中掺入非金属或金属时，掺入物质的类型、掺入的量会对其光催化效果产生不同影响。掺杂不同比例石墨氮化碳g-（C3N4）的纳米二氧化钛光催化分解水时，产生氢气质量随时间变化关系如图所示。 （1）催化降解有机污染物前后，TiO2的质量 （填“变大”“变小”或“不变”）。 （2）TiO2光催化分解水制氢的化学方程式是 ，与电解水制氢相比，该方法的优点是 。 （3）下列关于TiO2光催化材料的说法正确的是 （填字母序号）。 A．改变形态的方法均属于物理方法 B．掺杂石墨氮化碳越多，光催化分解水效果越好 C．与掺杂铁相比，掺杂金会提高生产成本 5．阅读科普短文，并回答问题。 二氧化钛（TiO2）是一种无毒的白色粉末，作为光催化材料被广泛应用于降解污染物、分解水制氢等领域。 【资料一】向TiO2中加入某些金属元素可以提高其光催化降解性能。我国科研人员制备了Cu—TiO2复合材料，并比较了它和TiO2对某污染物的光催化降解性能，实验结果如图（降解率越高，材料的光催化降解性能越强）。 【资料二】利用TiO2催化材料可实现阳光下“一键分解”水分子制氢。当阳光照射时，TiO2晶体内部激发出光生电子和空穴，水分子在光生电子和空穴作用下分解。但是，光生电子和空穴在晶体内部横冲直撞，绝大多数在百万分之一秒内就会复合湮灭，导致光催化分解水的效率大幅降低。近日，我国科研人员用大小相近的钪离子替代部分钛离子，实现了有序收集光生电子和接收空穴。通过对TiO2晶体的结构改造，使制氢效率提高15倍，创造了该材料体系的新纪录。 （1）TiO2中钛元素的化合价为 。 （2）下列与Cu—TiO2同属于复合材料的是 （填字母序号）。 A．棉花 B．玻璃钢 C．钛合金 D．塑料 （3）资料一中所设计的实验过程中，除了材料用量外，还应控制哪些变量 （填一条即可）。 （4）图中表示Cu—TiO2复合材料的曲线是 （填“a”或“b”）。图中材料用量达到 g时，两种材料的光催化降解性能开始趋于稳定。 （5）掺杂钪改造TiO2，其目的是 。 （6）阅读分析以上资料，下列理解正确的是 （填字母序号） A．TiO2中加入任何元素均可提高其光催化性能 B．可通过改变材料的结构，优化材料的性能 C．“元素替代”是改变材料性能的一种途径 6．阅读科普短文，回答问题。 二氧化钛作为一种含量丰富、无毒且化学性质稳定的光催化材料，广泛应用于降解有机污染物、分解水制氢等领域。 二氧化钛（TiO2）具有无毒、遮盖力强和价格便宜等优点，被认为是最重要的白色颜料，其应用领域分布如图1。 此外，TiO2可作为光催化剂促进工业污水和生活污水中有害物质的降解。研究表明，向TiO2中掺杂某些金属元素可以提高其光催化降解性能。我国科研人员用水热法制备了铜掺杂二氧化钛（Cu—TiO2）复合材料，比较了TiO2和Cu—TiO2复合材料对某污染物的光催化降解性能，实验结果如图2（降解率越高，表明材料对该污染物的光催化降解性能越好）。 目前，科研人员还在致力于TiO2性能的改进研究，其应用领域也会越来越广泛。 （1）由图1可知：TiO2应用占比最高的领域是 。 （2）使二氧化钛能在可见光有催化作用的方法有 （填一种即可）。 （3）由图2可知： ①在研究的材料用量范围内，当材料用量超过 g时，光催化降解性能趋于稳定，Cu—TiO2复合材料对该污染物的降解率接近100%。 ②图2数据可作为Cu—TiO2复合材料对该污染物的光催化降解性能优于TiO2的证据之一，理由是 。 （4）下列对二氧化钛催化剂的说法正确的是 （填字母序号）。 A．二氧化钛可以作任何反应的催化剂 B．二氧化钛可以使电解水制氢气量增多 C．二氧化钛质量和性质不变 D．原则上二氧化钛可以不断重复使用 参考答案 1～3．C、C、B； 4．（1）不变；（2）2H2O ( TiO 2 、光 )2H2↑＋O2↑；节约能源（合理即可）；（3）C。 5．（1）＋4；（2）B；（3）光照强度、光照时间、温度等变量；（4）a；1.1；（5）提高制氢效率；（6）BC。 6．（1）涂料；（2）改变形态或掺杂某些金属元素等；（3）①1.2；②在研究的材料用量范围内，在其他条件相同时，Cu—TiO2复合材料对该污染物的降解率比TiO2高；（4）D。 学科网（北京）股份有限公司 $