新型材料介紹——納米二氧化鈦

1、 納米TiO2的制備及性能研究進(jìn)展材料化學(xué) 何思穎納米納米TiO2的基本知識的基本知識 二氧化鈦具有穩(wěn)定性好、無毒、超親水特性、光催化效率高和不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。 納米二氧化鈦是金紅石型白色疏松粉末，屏蔽紫外線作用強(qiáng)，有良好的分散性和耐候性。 納米二氧化鈦主要有兩種結(jié)晶形態(tài)：銳鈦型和金紅石型。 在一定條件下，銳鈦型二氧化鈦可轉(zhuǎn)化為金紅石型。 納米納米TiO2的基本知識的基本知識 20世紀(jì)80年代以前，納米TiO2的研究開發(fā)目的主要是作為精細(xì)陶瓷原料、催化劑、傳感器等，需求量不大，沒有形成大的生產(chǎn)規(guī)模。80年代以后，開發(fā)的納米TiO2用作透明效應(yīng)和紫外線屏蔽劑，為納米TiO

2、2打開了市場，使納米TiO2的生產(chǎn)和需求大大增加，成為鈦白工業(yè)和涂料工業(yè)的一個新的增長點(diǎn)。 納米納米TiO2的研究現(xiàn)狀的研究現(xiàn)狀 在國外普遍開展了納米TiO2的制備和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，并取得了階段性成果。我國納米TiO2的研究在“九五期間形成了高潮 。目前，國內(nèi)涉及納米TiO2生產(chǎn)的公司約有十家，總生產(chǎn)能力在1000多噸。 納米納米TiO2的研究現(xiàn)狀的研究現(xiàn)狀 納米納米TiO2的研究意義的研究意義 納米TiO2自20世紀(jì)80年代后期問世以來，由于粒子的細(xì)小、比表面積的擴(kuò)大而產(chǎn)生了較常規(guī)材料所不具備的特殊效應(yīng)，以及其所具有的光催化作用及紫外屏蔽等功能。 對我國來說，納米TiO2技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用的不斷

3、創(chuàng)新，不僅能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，提高我國環(huán)保、塑料、汽車、精細(xì)化工等工業(yè)的技術(shù)水平，而且還能帶動其它新型納米材料產(chǎn)業(yè)的興起，促進(jìn)我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 納米TiO2有白色和透明狀的兩種顆粒，常見的TiO2粉體有金紅石、銳鈦礦、板鈦礦等3 種晶型。其中金紅石和銳鈦礦是四方晶系，板鈦礦是正交晶系。 納米TiO2化學(xué)性能穩(wěn)定。 納米TiO2的一個顯著特點(diǎn)是它具有半導(dǎo)體性質(zhì)。 納米納米TiO2的性能的性能 -物理化學(xué)性能物理化學(xué)性能 納米納米TiO2的性能的性能 -光催化性能光催化性能 原理：TiO2屬于一種n型半導(dǎo)體材料，它的禁帶寬度為3.2ev（銳鈦礦），當(dāng)它受到波長較小的光（紫外光）照射時(shí)，價(jià)

4、帶的電子就會獲得光子的能量而躍遷至導(dǎo)帶，形成光生電子；而價(jià)帶中則相應(yīng)地形成光生空穴。 吸附在TiO2表面的氧俘獲電子形成原子氧，而空穴則將吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成羥基自由基。納米納米TiO2的制備方法的制備方法 通常納米鈦白的制備方法分為兩類: 氣相法和液相法。 氣相法包括氣相氧化法和氣相水解法。 氣相氧化法是將高純度的四氯化鈦高溫下氧化，生成非常光亮的納米二氧化鈦；氣相水解法是將高純度的四氯化鈦在氫焰中進(jìn)行高溫水解而制得納米二氧化鈦。 -氣相法氣相法SHI Xiaoliang,Journal of Wuhan University of Technology-Mater. S

5、ci. Ed. Aug. 2011,600-605 液相法主要包括均勻沉淀法、萃取法、溶膠凝膠法、溶劑熱法等。 均勻沉淀法以硫酸法制備TiO2工藝的中間產(chǎn)物鈦液為原料制備出納米金紅石型二氧化鈦粒子；萃取法也以鈦液為原料，采用萃取法將TiO2轉(zhuǎn)為有機(jī)物溶膠，再將此溶膠蒸餾制成納米鈦白粉體；溶膠凝膠法一般以鈦醇鹽及無水乙醇為原料，加入少量水及不同的酸或有機(jī)聚合添加劑，經(jīng)攪拌、陳化制成穩(wěn)定的涂膜溶膠，再利用溶膠將TiO2附著在各種載體上。 納米納米TiO2的制備方法的制備方法 -液相法液相法Shengwei Liu,Chemistry of Materials,2011, 23, 40854093納

6、米納米TiO2 光催化氧化的應(yīng)用光催化氧化的應(yīng)用（一）降解廢水中的污染物 1. 光催化降解污染物 二氧化鈦光催化技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們將TiO2光催化應(yīng)用于劇毒多氯聯(lián)苯的降解研究，開始了TiO2光催化應(yīng)用于污染治理的研究。TiO2已成為最有開發(fā)前景的綠色環(huán)保型催化劑，美國將TiO2光催化技術(shù)視為解決環(huán)境問題的首選技術(shù)。（一）污水處理（二）氣相光催化氧化降解揮發(fā)性有機(jī)污染物Seul-Yi Lee,Journal of Industrial and Engineering Chemistry,19(2013).1761-1769 （三）（三） 降解有機(jī)農(nóng)藥廢水。利用納米TiO2 光催

7、化去除農(nóng)藥雖然不能使所有的污染物完全礦化，但是不會產(chǎn)生毒性更高的中間產(chǎn)物，這是其它方法無法相比的。 （四）（四）降解水中重金屬離子污染物。利用納米TiO2 光催化降解還能解決汞、鉻、鉛等金屬離子的污染問題。利用光催化，Hg2+ 從含氧溶液中被電子還原成Hg 沉積在TiO2 表面，此法同樣還適用于鉛。 納米納米TiO2 光催化氧化的應(yīng)用光催化氧化的應(yīng)用 紫外線屏蔽劑 TiO2對紫外線具有十分優(yōu)異的屏蔽作用。納米TiO2無毒、無刺激、耐水、無異味、穩(wěn)定性好，作為紫外線屏蔽劑主要應(yīng)用于防曬化妝品、涂料、塑料、化纖、橡膠等方面。納米納米TiO2光催化氧化的應(yīng)用光催化氧化的應(yīng)用 抗菌劑 TiO2在光照下

8、對環(huán)境中微生物有抑制或殺滅作用。利用納米TiO2的光催化性可充分抑制或殺滅環(huán)境中的有害微生物，使環(huán)境微生物對人的危害降低。 與常規(guī)殺菌劑不同的是，TiO2光催化不僅能夠殺滅細(xì)菌，而且同時(shí)降解細(xì)菌釋放出的有毒物質(zhì)，避免了細(xì)菌被殺死后釋放內(nèi)毒素造成的二次污染。研究表明納米TiO2光生空穴還能有效的滅活癌細(xì)胞，有望成為一種新型治療癌癥的醫(yī)療技術(shù)。 納米納米TiO2光催化氧化的應(yīng)用光催化氧化的應(yīng)用 防污自清潔材料【4】-【5】 TiO2因其具有自潔凈等多種功能，在實(shí)際生產(chǎn)中可制成自清潔玻璃或外墻磚、建筑物玻璃窗、交通工具的擋風(fēng)玻璃及后視鏡、浴室鏡子、眼鏡鏡片、測量儀器的玻璃罩等物品。納米納米TiO2光

9、催化氧化的應(yīng)用光催化氧化的應(yīng)用【4】RongMinWang, Polymers for Advanced Technologies. 2010,21(5)：331-336【5】Qingchi Xu，Diana VWellia，et alTransparent visible light activated CNFcodoped TiO2 films for selfcleaning applicationsJJournal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2010，210：181187納米納米TiO2的應(yīng)用的應(yīng)用 可作為鋰電池、太陽

10、能電池原料 納米二氧化鈦添加到鋰電池里，可提高鋰電池容量及循環(huán)穩(wěn)定性，特別是循環(huán)時(shí)放電電壓平臺的穩(wěn)定性，可有效提高電池在多次充放電過程中的電化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，電池在使用過程中更穩(wěn)定、更耐用。Transitional Page 在光催化、光電轉(zhuǎn)換及太陽能制氫領(lǐng)域中，人們普遍認(rèn)為TiO2是一種比較理想的太陽能轉(zhuǎn)換材料。因?yàn)樗粌H具有優(yōu)越的光催化和光電轉(zhuǎn)換性能，而且還擁有絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料所不具備的一些特性，如耐化學(xué)及光化學(xué)腐蝕、成本低、無毒等。納米TiO2已成為當(dāng)前該領(lǐng)域人們最感興趣、研究最多的一種光催化材料。TiO2的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展TiO2的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展面臨問題面臨問題 （1）制備

11、中存在的問題 在納米TiO2的制備方法中，氣相法反應(yīng)條件較為苛刻,很難進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。而利用液相法制備納米二氧化鈦時(shí)，無論是沉淀法還是溶膠-凝膠法，固液分離都比較困難，而且液相法制備的納米粒子很容易發(fā)生團(tuán)聚，分散性也較差，雖然近幾年發(fā)展用低溫冷凍干燥和超臨界流體干燥來克服分散性問題，但其能耗很高、設(shè)備復(fù)雜，所以在新的制備方法上應(yīng)盡量克服不利條件。YANG LiXia,Chinese Sci Bull February (2010) Vol.55 No.4-5,331-338TiO2的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展面臨問題面臨問題 （2）太陽光譜利用率低 TiO2僅能吸收占整個太陽光譜不到5%的紫外光，太

12、陽能利用率低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了提高TiO2對太陽光譜的利用率，人們進(jìn)行了很多研究，但是提高光譜利用率所付出的代價(jià)非常高。目前，提高TiO2納米粒子的光譜響應(yīng)性，使其保持足夠的化學(xué)及光化學(xué)穩(wěn)定性，仍是尚需解決的重要問題。TiO2作為光催化劑降解有機(jī)物的速度還不能滿足大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的需要。TiO2的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展面臨問題面臨問題 （3）光照對納米二氧化鈦催化活性的影響 納米TiO2在光照下有催化性，所以光照條件對其有很大影響，當(dāng)在光線較差的室內(nèi)時(shí),其應(yīng)用就會受到限制。晚上幾乎沒有光照，光催化幾乎不發(fā)生。而室內(nèi)光線較差，如果光催化分解污染物的速率不及其釋放速率，室內(nèi)污染物就會超標(biāo)而影響人體

13、健康。另外，光照產(chǎn)生的氧化自由基壽命短，如果污染物和細(xì)菌來不及與TiO2接觸，就起不到凈化作用。解決上述問題，可通過加入氧化劑，以阻止電子與空穴復(fù)合，延長自由基壽命。TiO2的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展 由于上述種種問題，使得納米TiO2的光催化技術(shù)無論在理論基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用研究都還不成熟，離大規(guī)模生產(chǎn)還有一段距離，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用受到極大的制約。TiO2的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展 目前，納米TiO2研究的重要方向是： 多相光催化反應(yīng)的研究； 設(shè)計(jì)合理有效的制備裝置及方法； 提高光催化反應(yīng)的活性和選擇性；提高光量子產(chǎn)率，將其激發(fā)波長擴(kuò)展到可見光區(qū)，提高光能利用率。 TiO2的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展 有序TiO2納米管陣列薄膜是近年來納米材料研究的熱點(diǎn)之一。這種材料與粉體納米TiO2薄膜相比具有更大的比表而積和更強(qiáng)的吸附能力。 同時(shí)，由于TiO2納米管結(jié)構(gòu)所具有的有序陣列結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用該材料后可以提高光生電荷的傳輸壽命并降低其復(fù)合幾率。因此這種材料在高靈敏度氣體傳感器、