二氧化鈦綜述

1、納米二氧化鈦綜述摘要：納米TiO2具有十分寶貴的光學(xué)性質(zhì)，高的化學(xué)穩(wěn)定性、 熱穩(wěn)定性、無(wú)毒性、超親水性、非遷移性，且完全可以與食品接 觸，日前已廣泛應(yīng)用于抗紫外材料、紡織、光催化觸媒、防曬霜、 食品包裝材料、航天工業(yè)等眾多領(lǐng)域。在環(huán)境、信息、材料、能源、 醫(yī)療與衛(wèi)生中的有廣闊的前景使納米氧化鈦進(jìn)一步成為科學(xué)家研 究的焦點(diǎn)。關(guān)鍵詞：污水凈化 太陽(yáng)能電池 抗紫外線1.納米氧化鈦可作太陽(yáng)能電池原料日前,能源消耗主要來(lái)自于化石燃料，由于化石燃料儲(chǔ)量有限以及 所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，人們開(kāi)始把日光投向環(huán)境友好、可再生的能 源中，太陽(yáng)能是未來(lái)最有希望的能源之一。而納米氧化鈦是制備太陽(yáng) 能電池的理想材料。原理

2、光催化反應(yīng)基本途徑當(dāng)能量大于TiO2禁帶寬度的光照射半導(dǎo) 體時(shí)，光激發(fā)電子躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶電子礦），同時(shí)在價(jià)帶留下 空穴（礦）。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長(zhǎng)，它 們能夠在電場(chǎng)作用下或通過(guò)擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在半導(dǎo)體催化劑 粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或者被表面品格缺陷俘獲。空 穴和電子在催化劑粒子內(nèi)部或表面也可能直接復(fù)合?？昭軌蛲?在催化劑粒子表面的OH或H2O發(fā)生作用生成HO。HO是一種活性很 高的粒子，能夠無(wú)選擇地氧化多種有機(jī)物并使之礦化，通常認(rèn)為是光催化反應(yīng)體系中主要的氧化劑。光生電子也能夠與02發(fā)生作用生成 H02 和02等活性氧類，這些活性氧自由基

3、也能參與氧化還原反應(yīng)。 HO能與電子給體作用，將之氧化，礦能夠與電子受體作用將之還原， 同時(shí)h+也能夠直接與有機(jī)物作用將之氧化：光催化反應(yīng)的量子效率低（理論上不會(huì)超過(guò)20%）是其難以實(shí)用化 的最為關(guān)鍵因素之一。2.防紫外線功能納米氧化鈦（T25）既能吸收紫外線，又能反射、散射紫外線， 還能透過(guò)可見(jiàn)光，是性能優(yōu)越、極有發(fā)展前途的物理屏蔽型的紫 外線防護(hù)劑。納米氧化鈦的抗紫外線機(jī)理：按照波長(zhǎng)的不同，紫外線分為短波區(qū)190280 nm、中波區(qū) 280320 nm、長(zhǎng)波區(qū)320400nm。短波區(qū)紫外線能量最高，但在 經(jīng)過(guò)離臭氧層時(shí)被阻擋，因此，對(duì)人體傷害的一般是中波區(qū)和長(zhǎng)波 區(qū)紫外線。納米氧化鈦（同V

4、K-T25 ）的強(qiáng)抗紫外線能力是由于其具有高 折光性和高光活性。其抗紫外線能力及其機(jī)理與其粒徑有關(guān)：當(dāng)粒 徑較大時(shí)，對(duì)紫外線的阻隔是以反射、散射為主，且對(duì)中波區(qū)和長(zhǎng) 波區(qū)紫外線均有效。防曬機(jī)理是簡(jiǎn)單的遮蓋，屬一般的物理防曬， 防曬能力較弱；隨著粒徑的減小，光線能透過(guò)納米二氧化鈦的粒子 面，對(duì)長(zhǎng)波區(qū)紫外線的反射、散射性不明顯，而對(duì)中波區(qū)紫外線的吸收性明顯增強(qiáng)。其防曬機(jī)理是吸收紫外線，主要吸收中波區(qū)紫外 線。由此可見(jiàn)，納米氧化鈦對(duì)不同波長(zhǎng)紫外線的防曬機(jī)理不一樣 對(duì)長(zhǎng)波區(qū)紫外線的阻隔以散射為主，對(duì)中波區(qū)紫外線的阻隔以吸 收為主。納米氧化鈦在不同波長(zhǎng)區(qū)均表現(xiàn)出優(yōu)異的吸收性能，與其他 有機(jī)防曬劑相比，納

5、米二氧化鈦具有無(wú)毒、性能穩(wěn)定、效果好等 特點(diǎn)。利用納米TiO2的透明性和紫外線吸收能力還可用作食品包裝 膜、油墨、涂料、紡織制品和塑料填充劑，可以替代有機(jī)紫外線 吸收劑，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。3光催化功能二氧化鈦具有粒子團(tuán)聚少、化學(xué)活性高，粒徑分布窄、形貌 均一等特性，具有很強(qiáng)的光催化性能，已廣泛應(yīng)用于環(huán)保中。（1）氣體凈化環(huán)境有害氣體可分為室內(nèi)有害氣體和大氣污染氣體。室內(nèi)有 害氣體主要有裝飾材料等放出的甲醛及生活環(huán)境中產(chǎn)生的甲硫 醇、硫化氫及氨氣等。納米二氧化鈦通過(guò)光催化作用可將吸附于 其表面的這些物質(zhì)分解氧化，從而使空氣中這些物質(zhì)的濃度降低， 減輕或消除環(huán)境不適感。另外，TiO2

6、在光照下對(duì)環(huán)境中微生物的抑制或殺滅作用，因 此，納米二氧化鈦能凈化空氣，具有除臭功能。對(duì)有機(jī)廢水的處理，效果十分理想。納米二氧化鈦復(fù)合材料對(duì)有機(jī)廢水的處理，效果十分理想。以TiO2為光催化劑，在光照的條件下，可使水中的烴類、鹵代物、 羧酸等發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，并逐步降解，最終完全氧化為環(huán)境友 好的CO2和H2O等無(wú)害物質(zhì)。杭州萬(wàn)景新材料有限公司采用新型 納米二氧化鈦載銀復(fù)合催化劑，對(duì)印染和精煉廢水生化處理后的 出水進(jìn)行深度處理，光照120min后，印染和精煉廢水的CODcr 去除率分別為75.3%和83.4%。經(jīng)研究表明，在太陽(yáng)光照射下用多 孔納米TiO2薄膜處理水溶液中的敵敵畏有很好的效果。

7、除此之 外，納米二氧化鈦還可有效地用于含CN 勺工業(yè)廢水的光催化降 解。處理無(wú)機(jī)污水除有機(jī)物外，許多無(wú)機(jī)物在TiO2表面也具有光學(xué)活性，例如 無(wú)機(jī)污水中的Cr6+接觸到TiO2催化劑表面時(shí)，能夠捕獲表面的 光生電子而發(fā)生還原反應(yīng)，使高價(jià)有毒的Cr6+降解為毒性較低或 無(wú)毒的Cr3+，從而起到凈化污水的作用；一些重金屬離子如Pt4+， Hg2+，Au3+等，在催化劑表面也能夠捕獲電子而發(fā)生還原沉淀反 應(yīng)，可回收污水的無(wú)機(jī)重金屬離子。4.防霧及自清潔功能TiO2薄膜在光照下具有超親水性和超永久性，因此其具有防霧功能。如在汽車后視鏡上涂覆一層氧化鈦薄膜，即使空氣中的 水分或者水蒸氣凝結(jié)，冷凝水也不會(huì)

8、形成單個(gè)水滴，而是形成水膜均勻地鋪展在表面，所以表面不會(huì)發(fā)生光散射的霧。當(dāng)有雨水 沖過(guò)，在表面附著的雨水也會(huì)迅速擴(kuò)散成為均勻的水膜，這樣就 不會(huì)形成分散視線的水滴，使得后視鏡表面保持原有的光亮，提 高行車的安全性。納米二氧化鈦（同TG01）具有很強(qiáng)的“超親水性”，在它的 表面不易形成水珠，而且納米二氧化鈦在可見(jiàn)光照射下可以對(duì)碳 氫化合物作用。利用這樣一個(gè)效應(yīng)可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表 面涂上一層納米TiO2薄層，利用氧化鈦的光催化反應(yīng)就可以把吸 附在氧化鈦表面的有機(jī)污染物分解為CO2和H2O，同剩余的無(wú)機(jī) 物一起可被雨水沖刷干凈，從而實(shí)現(xiàn)自清潔功能。日本東京已有 人在實(shí)驗(yàn)室研制成功自潔瓷磚，這

9、種新產(chǎn)品的表面上有一薄層納 米二氧化鈦，任何粘污在表面上的物質(zhì)，包括油污、細(xì)菌在光的 照射下，由于納米二氧化鈦的催化作用，可以使這些碳?xì)浠衔?物質(zhì)進(jìn)一步氧化變成氣體或者很容易被擦掉的物質(zhì)。納米 TiO2 光催化作用使得高層建筑的玻璃、廚房容易粘污的瓷磚、汽車后 視鏡及前窗玻璃的保潔都可很容易地進(jìn)行。5 .殺菌功能在紫外線作用下，以0.1mg/cm3濃度的超細(xì)TiO2可徹底地殺 死惡性海拉細(xì)胞，而且隨著超氧化物歧化酶（SOD ）添加量的增多， TiO2光催化殺死癌細(xì)胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度 處理自來(lái)水，可大大減少水中的細(xì)菌數(shù)，飲用后無(wú)致突變作用， 達(dá)到安全飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。在涂料中

10、添加納米二氧化鈦（TG01 ）可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，可應(yīng)用于醫(yī) 院病房、手術(shù)室及家庭衛(wèi)生間等細(xì)菌密集、易繁殖的場(chǎng)所，可有 效殺死大腸桿菌、黃色葡萄糖菌等有害細(xì)菌，防止感染。因此， 納米納米二氧化鈦（TG01）能凈化空氣，具有除臭功能。納米二氧化鈦的抗菌原理：納米二氧化鈦在光催化作用下使細(xì)菌分解而達(dá)到抗菌效果的。由于納米二氧化鈦的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為一個(gè)滿TiO2的價(jià)帶和一個(gè)空的導(dǎo)帶，在水和空氣的體系中，納米二氧化鈦在陽(yáng)光尤 其是在紫外線的照射下，當(dāng)電子能量達(dá)到或超過(guò)其帶隙能時(shí)，電 子就可從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，即生成 電子、空穴對(duì)，在電場(chǎng)的作用下，電子與

11、空穴發(fā)生分離，遷移到 粒子表面的不同位置，發(fā)生一系列反應(yīng)：TiO2 + hv e + hH2O + h OH+ H02 +e 02 02 + H H022H02一02 + H202H202 +02 OH+OH +02吸附溶解在Ti02表面的氧俘獲電子形成02 ,生成的超 氧化物陰離子自由基與多數(shù)有機(jī)物反應(yīng)（氧化），同時(shí)能與細(xì)菌內(nèi) 的有機(jī)物反應(yīng)，生成C02和H20；而空穴則將吸附在Ti02表面 的0H和H20氧化成OH,OH有很強(qiáng)的氧化能力，攻擊有機(jī)物的不飽和鍵或抽取H原子產(chǎn)生新自由基，激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終 致使細(xì)菌分解。TiO2的殺菌作用在于它的量子尺寸效應(yīng)，雖然鈦白粉（普通 TiO2）也有光催化作用，也能夠產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，但其到達(dá)材料 表面的時(shí)間在微秒級(jí)以上，極易發(fā)生復(fù)合，很難發(fā)揮抗菌效果， 而達(dá)到納米級(jí)分散程度的TiO2 ,受光激發(fā)的電子、空穴從體內(nèi)遷 移到表面，只需納秒、皮秒、甚至飛秒的時(shí)間，光生電子與空穴 的復(fù)合則在納秒量級(jí)，能很快遷移到表面，