二氧化钛综述

1、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，日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日前,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，人们开始把日光投向环境友好、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

2、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，或者被表面品格缺陷俘获。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02发生作用生成 H02 和02等活性氧类，这些活性氧自由基

3、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190280 nm、中波区 280320 nm、长波区320400nm。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V

4、K-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

5、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

6、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。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。

7、除此之 外，纳米二氧化钛还可有效地用于含CN 勺工业废水的光催化降 解。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

8、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

9、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

10、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

11、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 + hv e + hH2O + h OH+ H02 +e 02 02 + H H022H02一02 + H202H202 +02 OH+OH +02吸附溶解在Ti02表面的氧俘获电子形成02 ,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C02和H20；而空穴则将吸附在Ti02表面 的0H和H20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，