二氧化钛综述

纳米二氧化钛综述
摘要：纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，目前已广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、防晒霜、食品包装材料、航天工业等众多领域。

在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生中的有广阔的前景使纳米氧化钛进一步成为科学家研
究的焦点。

关键词：污水净化太阳能电池抗紫外线
1.纳米氧化钛可作太阳能电池原料
目前,能源消耗主要来自于化石燃料,由于化石燃料储量有限以及所带来的环境污染问题,人们开始把目光投向环境友好、可再生的能源中,太阳能是未来最有希望的能源之一。

而纳米氧化钛是制备太阳能电池的理想材料。

原理光催化反应基本途径当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子(矿)，同时在价带留下空穴(矿)。

由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。

空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。

空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH或H2O发生作用生成HO·。

HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光
催化反应体系中主要的氧化剂。

光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。

HO·能与电子给体作用，将之氧化，矿能够与电子受体作用将之还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化：
光催化反应的量子效率低(理论上不会超过20%)是其难以实用化的最为关键因素之一。

2.防紫外线功能
纳米氧化钛（T25）既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。

纳米氧化钛的抗紫外线机理：
按照波长的不同,紫外线分为短波区190～280 nm、中波区280～320 nm、长波区320～400nm。

短波区紫外线能量最高,但在经过离臭氧层时被阻挡,因此,对人体伤害的一般是中波区和长波区紫外线。

纳米氧化钛（同VK-T25）的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。

其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关:当粒径较大时,对紫外线的阻隔是以反射、散射为主,且对中波区和长波区紫外线均有效。

防晒机理是简单的遮盖,属一般的物理防晒,防晒能力较弱;随着粒径的减小,光线能透过纳米二氧化钛的粒子面,对长波区紫外线的反射、散射性不明显,而对中波区紫外线的
吸收性明显增强。

其防晒机理是吸收紫外线,主要吸收中波区紫外线。

由此可见, 纳米氧化钛对不同波长紫外线的防晒机理不一样,对长波区紫外线的阻隔以散射为主,对中波区紫外线的阻隔以吸
收为主。

纳米氧化钛在不同波长区均表现出优异的吸收性能，与其他有机防晒剂相比，纳米二氧化钛具有无毒、性能稳定、效果好等特点。

利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料、纺织制品和塑料填充剂，可以替代有机紫外线吸收剂，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。

3光催化功能
二氧化钛具有粒子团聚少、化学活性高，粒径分布窄、形貌均一等特性，具有很强的光催化性能，已广泛应用于环保中。

（1）气体净化
环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。

室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等。

纳米二氧化钛通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。

另外，TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用，因此，纳米二氧化钛能净化空气，具有除臭功能。

（2）对有机废水的处理，效果十分理想。

纳米二氧化钛复合材料对有机废水的处理，效果十分理想。

以TiO2为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化-还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质。

杭州万景新材料有限公司采用新型纳米二氧化钛载银复合催化剂，对印染和精炼废水生化处理后的出水进行深度处理，光照120min后，印染和精炼废水的CODcr
去除率分别为75.3%和83.4%。

经研究表明，在太阳光照射下用多孔纳米TiO2薄膜处理水溶液中的敌敌畏有很好的效果。

除此之外，纳米二氧化钛还可有效地用于含CN—的工业废水的光催化降解。

（3）处理无机污水
除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时，能够捕获表面的光生电子而发生还原反应，使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+，从而起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水的无机重金属离子。

4．防雾及自清洁功能
TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。

如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水
膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。

当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。

纳米二氧化钛（同TG01）具有很强的“超亲水性”，在它的表面不易形成水珠，而且纳米二氧化钛在可见光照射下可以对碳氢化合物作用。

利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和H2O，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。

日本东京已有人在实验室研制成功自洁瓷砖，这种新产品的表面上有一薄层纳米二氧化钛，任何粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下，由于纳米二氧化钛的催化作用，可以使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。

纳米TiO2
光催化作用使得高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、汽车后视镜及前窗玻璃的保洁都可很容易地进行。

5．杀菌功能
在紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准。

在涂料中添加纳米二氧化钛（TG01）可
以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。

因此，纳米纳米二氧化钛（TG01）能净化空气，具有除臭功能。

纳米二氧化钛的抗菌原理：
纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。

由于纳米二氧化钛的电子结构特点为一个满 TiO2的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 :
TiO2 + hν e —— + h
H2O + h——·OH+ H
O2 +e——O2 ·
O2 ·+ H——HO2·
2HO2· —— O2 + H2O2
H2O2 +O2 · ——·OH+OH +O2
吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘获电子形成O2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成 CO2和 H2O;而空穴则将吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻击有机物
的不饱和键或抽取 H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终
致使细菌分解。

TiO2 的杀菌作用在于它的量子尺寸效应 ,虽然钛白粉(普通TiO2)也有光催化作用 ,也能够产生电子、空穴对 ,但其到达材料表面的时间在微秒级以上 ,极易发生复合 ,很难发挥抗菌效果，而达到纳米级分散程度的 TiO2 ,受光激发的电子、空穴从体内迁移到表面 ,只需纳秒、皮秒、甚至飞秒的时间 ,光生电子与空穴的复合则在纳秒量级 ,能很快迁移到表面 ,攻击细菌有机体 ,
起到相应的抗菌作用。

纳米氧化钛已在我们的生活起重要作用，随着科技的发展相信二氧化钛又望在能源紧张环境污染等众多领域给我们带来更多惊喜。

参考文献：
王鹏.长期光热稳定的染料敏化太阳电池中国基础科学•研究进展
陈炜,孙晓丹,李恒德等. 世界科技研究与发展
李娟红, 雷闫盈, 王小刚. 半导体TiO2纳米微粒膜光催化杀菌机理与性能的研究，材料工程，2006。