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纳米二氧化钛材料


《功能材料》期末考核

题目:纳米二氧化钛材料的制备-结构-功能

姓 学 专

名: 号: 业:

2013-2014 年第二学期

1. 纳米二氧化钛的功能及特性
纳米材料指颗粒尺寸为纳米级的超细颗粒,其尺寸大于原子簇但小于微米 级,一般介于 1nm~100nm 之间。纳米粒子因其尺寸小,比表面积大,表面原子 数多, 表面能和表面张力随离径的下降急剧增大而具有量子尺寸效应,小尺寸效 应, 表面效应和宏观量子隧道效应等不同于常规固体的光, 热, 电, 磁等新特性。 纳米 TiO2 是一种新型的无机材料,粒径在 10nm~50nm,相当于普通钛白 粉的十分之一,与常规材料相比,纳米二氧化钛具有独特功能: (1)比表面积大, (2)磁性强,具有极强的吸收紫外线的能力。 (3)表面活性大, (4)热导性好, (5)分散性好,制得的悬浮液稳定, (6)奇特的颜色效应, (7)较好的热稳定性, (8)化学稳定性和优良的光学,电学,力学等方面的特性。 其中的锐钛矿具有较高的催化效率; 金红石型结构比较稳定, 具有较强的覆盖力, 着色力和紫外线吸收能力。因此在催化剂载体,紫外线吸收剂,高效光敏剂,防 晒护肤化妆品,塑料薄膜制品,水处理,精细陶瓷,器皿传感元件等领域具有广 泛的用途。 纳米 TiO2 光催化杀菌是目前环境净化的研究热点。 纳米 TiO2 光催化技术始 于 1972 年 Fujishima 和 Hondar 做的关于光辐照二氧化钦可持续发生氧化还原反 应的研究。1985 年,Matasunaga 等使用 Ti/Pt 催化剂在近紫外光照射下 6 0 — 120 min 内杀灭了水中的微生物。 自此二氧化钛光催化杀菌的研究日益受到重视, 研究对象也逐渐扩展至水体及空气中的病毒、细菌、真菌等。 纳米 TiO2 光催化氧化杀菌具有显著的优点: (1)无需昂贵的氧化试剂,空气中的氧就可作为氧化剂; (2)二氧化钦催化剂价格低廉,无毒,化学及光化学性质稳定; (3)自然光中的紫外光就可作为光源激发催化剂, 因此无需能源, 系统维护费 用低;

(4)氧化还原反应无选择性,可以杀灭大多数的微生物。

2.纳米二氧化钛的发展前景
纳米二氧化钛是具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质。 由于 它透明性和防紫外线功能的高度统一,使得它一经问世,便在防晒护肤、塑料薄 膜制品、木器保护、透明耐用面漆、精细陶瓷等多方面获得了广泛应用。特别是 在 80 年代末期,这种能产生诱人的“随角异色”效应的效应颜料被成功地用于 豪华型高级轿车面漆之后,引起了世界范围的普遍关注,发达国家如美、日、欧 等国对此研究工作十分活跃,相继投入了大量人力、物力,并制订了长远规划, 在国际市场竞争激烈迄今, 他们已取得许多令人惊异的成果,并已形成高技术纳 米材料产业, 生产这种附加值极高的高功能精细无机材料,收到良好的经济效益 和社会效益, 纳米氧化物材料也正成为中国产业界关注的热点。随着纳米材料研 究的深入, 纳米组装体系、 人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们 的关注,这意味着纳米材料的研究已可以按照人们的意愿设计、组装、创造新的 体系,更有目的地使该体系具有人们所希望的特性,技术上的飞跃,为纳米材料 的应用进一步打开市场的大门, 在广泛的领域形成了一大批高技术产品。如信息 与通讯方面的磁性存储器、光学存储器、液晶显示、光学方面的功能性薄膜;电 子方面的原件开发,能源方面的太阳能电源,热敏绝缘体,测量与控制技术方面 的传感器;陶瓷方面的结构陶瓷,功能陶瓷以及其他方面的抗老化橡胶、功能油 漆、光催化降解剂、保洁抗菌材料、超高磁能衡土水磁体等。在纳米材料的市场 增长中,o 维-3 维结构技术,超精度加工技术,超薄膜生产技术,横向结构技术 所制造的产品最具市场增长潜力。有关研究还表明,在今后 10 年中,纳米材料 的市场应用开发的速度还会加快,因为工业国家纳米材料领域的专利自 1993 年 以来一直以每年 20%以上的速度递增。资料表明,西方工业国家在纳米材料及相 关领域的科研经费投入每年达 75 亿美元左右。国际上在此领域竞争日趋激烈。 2.1 中国纳米二氧化钛材料发展现状 我国纳米 TiO2 的研究在“九五”期间形成了高潮,据了解进行纳米粉体制 备技术研究的科学院所和高校几乎都在进行和进行过纳米 TiO2 的研究。重庆大 学应用化学系是国内最早(1989 年)研究纳米 TiO2 的单位,华东理工大学、中国

科学院上海硅酸盐研究所是目前研究技术较全面、报道最多的单位。目前,国内 涉足纳米 TiO2 生产的公司约有十家, 总生产能力在 1kt 以上。 四川攀枝花钢铁(集 团)公司钢铁研究院年产 200t 生产装置是迄今我国技术装备最先进、品种最为齐 全的装置,可以生产金红石型和锐钛型两大系列各有 4 个从 10nm 至 40nm 的粉 体品种; 由淮北芦岭煤矿和腾岭工贸有限公司共同组建的安徽科纳新材料有限公 司年产 100t 生产基地在宿州市建成;江苏河海纳米科技股份有限公司投资 5000 万元,已经建成年产 500t 的规模;青岛科技大学纳米材料重点实验室与海尔集 团联合开发的首条具有百吨生产能力的生产线已经建成并一次试车成功; 济南裕 兴化工总厂拥有先进的纳米 TiO2 生产线(已通过省级鉴定),具备年产 100t 生产 能力, 可提供纳米锐钛型、 金红石型的粉体和浆料共 4 个品种、 多种规格的产品; 此外,四川永禄科技有限公司、浙江舟山明日纳米有限公司、江苏五菱常泰纳米 材料有限公司、河北茂源化工有限公司的纳米 TiO2 装置也已建成。
表 2—1 国内主要研究单位与制备方法

制备方法 气相水解法 气相氧化法 胶溶法

研究单位 永新—沈阳化工股份公司 华东理工大学 重庆大学、吉林大学 溶胶-凝胶法 中国科学院固体物理研

究所、华东理工 大学、西北大学

化学沉淀法

中国科学院上海硅酸盐研究所、成都科技 大学、东北大学

3. TiO2 的结构
二氧化钛有板铁矿、 锐铁矿和金红石三种晶体结构,其组成结构的基本单位 均是 TiO6八面体,区别在于 TiO6八面体通过共用顶点还是共边组成骨架,见图 2-l。锐钛矿结构是由 TiO6八面体共边组成,而金红石和板钛矿结构则是由八面 体共顶点且共边组成。金红石、锐钛矿和铁钛矿的基本结构单元列于图2-2

图3-1 TiO6结构单元的连接

图 3-2 基本结板钛

板钛矿和锐钛矿是 TiO2 的低温相,金红石是 TiO2 的高温相。锐钛矿和板钛矿到 金红石的相转化温度一般为 500—600℃。金红石型 TiO2 有很强的遮盖力和着色 力,且对紫外线有较强的屏蔽作用,锐钛矿型 TiO2 的光催化活性最高。 3.1 表面结构 金红石型表面上存在三种典型的原子空位,分别为晶格氧、单桥氧和双桥氧 空位。光电子能谱(UPS)和 IPS 研究结果表明:在~6eV 所对应的全充满的价带 是由 O2P 轨道组成,而空的导带由 Ti 的 3d,4s 和 4p 轨道组成,Ti3d 决定导带的 较低位置。 低于费米能级~0.8eV 弱的发射峰与 O 原子缺位所诱导的 Ti3d 派生能 级有关。锐钛矿二氧化钛与金红石相似,~0.8eV 的发射峰被确定为 Ti3+表面缺 陷。Konstantin 等人的研究则发现,在锐钛矿 TiO2 表面发现有羟基、五配位和四 配位 Ti4+,T3+存在。Stelhow 等人的理论计算结果表明,锐钛矿型 Ti02 的价带主 要为 O2p 和 Ti3d 轨道组成,O2p 轨道贡献较大,TiO2 禁带宽度大约为 10eV,但实 测值大约为 3.0~3.5eV。

4.0 纳米 TiO2 的性质
4.1 晶型的性质

TiO2 存在金红石型、锐钛型、板钛型等三种主要晶型。板钛型是不稳定的晶 型,在 650℃ 时会直接转化为金红石型。板钛型只存在于自然界的矿石中,数量 也不多。它不能用合成的方法来制造,在工业上没有实用价值。锐钛型在常温下 是稳定的,但在高温下却要向金红石型转化。纳米 TiO2 有很高的化学稳定性、 无毒性、非迁移性,完全可与食品接触。金红石型纳米 TiO2 的耐候性、热稳定 性、化学稳定性均优于锐钛型。 4.2 光学性质 纳米 TiO2 晶体的光学性质服从瑞利(Rayleigh)光散射理论,能透过可见光 及散射波长更短的紫外光, 表明这种粒子具有透明性和散射紫外线的能力,普通 TiO2 具有一定的吸收紫外线的能力。纳米 TiO2 粒径很小,因而活性较大,吸收 紫外线的能力很强。由于 TiO2 纳米粒子既能散射又能吸收紫外线,故它具有很 强的紫外线屏蔽性。 4.3 半导体性能 由于存在着显著的量子尺寸效应,纳米 TiO2 具有特殊的光物理和光化学性 质。当粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时,随着粒子尺寸的减小,半导体粒子的 有效带隙增加, 其相应的吸收光谱与荧光光谱发生蓝移,从而在能带中形成一系 列分立的能级。近年来对纳米 TiO2 的研究表明,纳米粒子的光催化活性明显优 于相应的体相材料。

5.0 纳米二氧化钛的制备
5.1 气相法 气相制备纳米微粒的方法通常分为二种,一种不伴随化学反应,通过真空干 燥、激光、电弧高频感应和电子束照射等方法使原料气化或形成到离子体,然后 在介质中冷却凝结形成微粒, 称为物理气相沉积 (PCD) 。 其优点是产物的纯度高、 晶型结构好、粒度可控;但对设备和技术水平要求高。而伴随了化学反应的化学 气相沉积法(CVD)是利用气态物质在固体表面进行化学反应,使用激光、电子 束、 高频电弧为热源, 生成固体沉积物。 气相化学法制备的二氧化钛粉体纯度高、 分散性好、团聚少、表面活性大。但设备也相对复查、产物成本高、产物难于收

集。以下介绍的是气相化学法。 5.1.1 TiCl4 气相氢火焰水解法[1] 该法与气相法生产白碳黑的原理类似, 其原理是:以 TiCl4 为原料,将

TiCl4 气体导入高温氢氧焰中(700~1000℃)进行高温水解制备纳米二氧化钛。 其基本的化学反应式为: TiCl4 ( g )+2H2(g) + O2→ TiO2(s) + 4HCl(g)TiCl4 氢氧火焰水解法最早由德国迪高沙(Degussa)公司开发成功。该工艺制备的粉体 的晶相一般是锐钛矿和金红石型的混合型,产品纯度高、粒径小、比表面大、分 散性好、 团聚程度小,主要用于电子材料,催化剂和功能陶瓷等领域。此法制备工 艺已经成熟,近 20 年来已很少有这方面的专利申请。其特点是生产过程较短 , 自动化程度高;但因反应过程温度较高,且 Hcl 的生成使设备腐蚀严重,对设备材 质要求较严,此外还需要精确控制工艺参数,因此产品成本较高。 5.1.2 TiCl4 气相氧化法[2] 这种工艺与采用氯化法生产钛白粉的原理相似,区别在于前者的工艺控制更 加复查和精确,其基本化学反应过程为:以 TiCl4 为原料,氧气为氧源,氮气为 载气,在高温条件下(900~1400℃) ,TiCl4 和 O2 之间发生均相化学反应,生 成二氧化钛前躯体, 并通过成核生长为二氧化钛粒子。此工艺目前还只是实验室 研究报道, 其关键是要解决喷嘴和反应器的结构设计及 TiO2 粒子遇冷壁结疤 的问题。 这种工艺的优点是自动化程度高,可以制备出优质的粉体. 但因系高温 反应过程 , 对设备要求高 , 技术难度大 , 且产量不高。 5.1.3 钛醇盐气相水解法(气溶胶法)[3] 该工艺最早是由美国麻省理工学院开发成功的,可以用来生产单分散的球形 纳米 TiO2, 其原理为:以高纯氮为载气,将钛醇盐蒸气和水蒸气分别引入反应 且副产品有害气体 Cl2, 腐蚀性大 ,

器的反应区。钛醇盐蒸气经喷雾和氮气激冷形成 Ti(OR)4 气溶胶颗粒,而后与水 蒸气快速水解形成二氧化钛超细颗粒。 日本曹达公司和出光公司采用这种工艺生 产纳米 TiO2。通过改变反应区内各种蒸气的停留时间、摩尔比流速、浓度以及反 应温度来调节纳米 TiO2 的粒径和粒子形状。 可以制得原始粒径为 10-150nm, 比

表面积为 50-300/g 的非晶态纳米 TiO2。该工艺的反应温度较 TiCl4 气相氧化 法的反应温度低、能耗小、对材质要求不是很高, 并且可以连续生产,但原料钛 醇盐昂贵。 5.2 液相法 与上述的气相法相比, 液相法具有反应温度低、设备简单、能耗少的优点, 是目前实验室和工业上广泛采用的制备超微粉的方法。在液相法中合成纳米粉 体,可以精确控制组分含量;能实现分子 / 原子水平的均匀混合,因有溶剂稀 释,易于控制反应,便于添加其它组分,制备参杂型氧化物粉体。液相法是选择 可溶于水或有机溶剂的金属盐类, 使金属盐溶解, 并以离子或分子状态混合均匀, 再选择一种合适的沉淀剂或采用蒸发、结晶、升华、水解等过程,将金属离子均 匀沉淀或结晶出来, 再经脱水或热分解制得粉体。 它又分为胶溶法、 醇盐水解法、 溶胶-凝胶法、沉淀等。 5.2.1 胶溶法[4] 日本的冈村炼油公司、 中国的重庆大学应用化学系、吉林大学化学系都采用 此法合成纳米二氧化钛。该法以硫酸氧钛为原料,其化学反应式为:沉淀反应: TiO2++ OH- → TiO(OH)+TiO(OH)+ + OH—→ TiO(OH)2 ↓(白色) 胶溶反应:TiO(OH)2→ TiO(OH)+·H2O(溶胶) 热处理:TiO(OH)2→ TiO2 + H2O 利用该方法可制备各组分的氧化物陶瓷粉体,粉体分散性好,具有较高的烧结活 性,但是成本高,不易大量生产。 5.2.2 醇盐水解法 日本的夏普公司、 中国的华东理工大学等利用完氧基钛水解(即醇盐水解) , 得到纳米二氧化钛。其反应机理为: 水解:Ti(OR)4+ 2H2O → Ti(OH)4+ 4ROH

缩聚:Ti(OH)4→ TiO2+ 2H2O 式中 R 为- C2H5 前人对钛醇盐的溶液控制水解制备单分散的 TiO2 胶体粒子进行了较多的研究。 但这些研究只注重粒子的单分散性, 而获得的粒子的粒径都处于微米级或亚微米 级, 并没有得到纳米 TiO2 粒子。 高濂等系统研究了钛酸丁酯控制水解制备纳米 T i O2 粉体的工艺。Hague 等研究了醇盐水解法制备纳米晶 TiO2 工艺中结 晶度的控制。 实验过程为: 正钛酸异丙酯的乙醇溶液(8% 体积)滴入水 / 乙醇混 合液(1:1)中, 体系中水 / 醇盐摩尔比为 165:1, 处理得到的沉淀物的方法有 二种:用乙醇洗涤二次和没有用乙醇洗涤。 通过对产物的表征得出, 在水∕醇盐

摩尔比较高(>20)时,沉淀物中含有锐钛矿型产物,而用乙醇洗涤后,使沉淀 法等。 5.2.3 溶胶-凝胶法(简称 S - G 法)[5] 溶 胶 - 凝 胶 法 合 成 纳 米 TiO2 所 采 用 的 原 料 , 一 般 为 低 级 钛 醇 盐 Ti(OR)4(R=-C2H5,-C3H7,-C4H9)。首先,将钛醇盐溶于溶剂(乙醇、丙醇和丁醇等) 中形成均相溶液,以保证钛醇盐的水解反应在分子均匀的水平上进行;然后,钛 醇盐与水发生水解反应,在水解进行的同时,发生失水和失醇縮聚反应,生成物 聚集成 1nm 左右的粒子并形成溶胶;经陈化,溶胶形成三维网络而形成凝胶; 干燥湿凝胶以除去残余水分、 有机基团和有机溶剂, 得到干凝胶; 干凝胶研磨后, 煅烧,除去化学吸附的羟基和烷基团,以及物理吸附的有机溶剂和水,得到纳米 TiO2 粉体。钛醇盐的水解反应速度很快,所以需加抑制剂来减缓其水解速度。常 用的抑制剂有盐酸、氨水和硝酸等。 5.2.4 直接沉淀法 该方法是在含有一种或多种离子的可溶性盐溶液中,加入溶液中的沉淀剂 (如尿素) 不立刻与沉淀组分发生反应,而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液 中缓慢生成。该法产品颗粒均匀、致密,便于过滤洗涤,是目前工业化看好的一 种方法。 直接沉淀法操作简单易行, 对设备、 技术要求不太苛刻, 产品成本较低, 但沉淀洗涤困难,产品易引入杂质。

5.2.5 水热法[6] 采用水热法制备纳米粉体的技术始于 1982 年。水热法制备纳米 TiO2 粉体 的步骤为:第一步制备钛的氢氧化物凝胶。第二步将凝胶转入高压釜内,升温 (<250℃) ,造成高温、高压的环境,使难溶或不容的物质溶解并且重结晶,恒 温一段时间,卸压后,经洗涤、干燥即可得到纳米级的 TiO2 粉体。

6. TiO2 的应用
纳米 TiO2 作为一种 21 世纪的新型多功能材料,广泛应用于环境保护、化妆 品、涂料、特殊材料的制备以及医药等方面。 6.1 充当太阳能电池原料 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TiO2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。 6.2. 防紫外线功能

纳米 TiO2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 TiO2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 TiO2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 TiO2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 TiO2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。 6.3 光催化功能 TiO2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。 6.3.1 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 TiO2

能净化空气,具有除臭功能。 6.3.2 处理有机废水 纳米 TiO2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 H 2 O 等无害物质。杭州万 景新材料有限公司采用新型纳米 TiO2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 TiO2还可有效地 用于含 CN—的工业废水的光催化降解。 6.3.3 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 Pt , Hg , Au 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。 6.3.4 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 TiO2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 TiO2具有很强的“超亲水性”,在它的表面不易形成水珠,而且纳 米 TiO2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 TiO2表面的有机污染物分解为 CO 2 和 H2 O ,同剩余的无机物一起
4+ 2+ 3+

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 TiO2,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 TiO2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。 6.3.5 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 TiO2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 TiO2能净化空气, 具有除臭功能。 纳米 TiO2的抗菌原理 [7]: 纳米 TiO2在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米 TiO2 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 TiO2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。 吸附溶解在 TiO2表面的氧俘获电子形成 O 2 ·, 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 H 2 O; 而 空穴 则 将吸附 在 TiO2 表 面 的 OH 和 H 2 O 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。

7. 结语
由于纳米 Ti02 的合成、性质、改性及应用潜在的诱人前景,人们对其进行 了广泛深入的研究,并在污染物处理、抗菌净化、除臭、光电转化等领域取了不 少成果。但仍存在一些问题需要解决: 1) 需要更加深入研究 Ti02 光催化反应的基础理论,包括反应机理和动力学、电 荷传输特性、光电转换机制等。 2) 如何通过 Ti02 的改性更加有效地利用太阳光,降低 Ti02 光生电子.空穴对的 复合几率,提高其量子效率,如何改善催化剂其易失活、难回收的特点,仍是今 后研究的趋势。 3) 我国纳米 Ti02 改性制备技术虽然有很多,但大多数仍停留在实验室,与大规 模工业化生产还存在一定的距离,所以必须开发实用、工艺过程简单且易实现工 业化的改性技术方法及设备才能实现规模化。 4) 纳米 Ti02 的改性,可能会造成生产成本增加,建议首先考虑成本低的改性材 料,否则难以推广。

参考文献
[1]冠利华.无机盐工业.1985,68(1) :43 [2]Morooka S,Yasutakae T,Kobata A,et al. A mechanism for the production of ultrafine particles of TiO2 by a gas-phase reaction. International chemical Enginnering. 1989,29(1) :119-126 [3]Casey J D, Hsggerty J S. J Mater Sci,1987,22:4307 [4]王晓慧,王子枕.胶溶法合成 TiO2 超微粒子.材料科学进展. 1992,6(6) :533-537 [5]Shigeru K, Shinji K, Tatsuo M, et al. Shapu Giho, 1987,38:269 [6]陈代荣.无机材料学报.1997,12(1) :110 [7] 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


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新型环境材料 纳米二氧化钛
新型环境材料——纳米二氧化钛 1、研究史概述 1998 年第一届 IVMRS 国际会议(东京)上首先提出了环境调和材料(简称 环境材料)是指与生态环境和谐或能共存的材料,...
纳米二氧化钛的制备
如何开发、应用纳米 TiO2,已成为各 国材料学领域的重要研究课题。目前合成纳米二氧化钛粉体的方法主要 有液相法和气相法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级二...
纳米二氧化钛硅藻土复合光催化材料知识问答
虽然,同时使用吸附材料如硅藻土和纯纳米 TiO2(如德国产的 P25)也能实现二种功能的结 合,但是,由于纳米 TiO2 的用量很少和难以在吸附材料中均匀分散,纳米 TiO2 ...
纳米二氧化钛的制备综述
纳米二氧化钛(T i O 2) 是当前应用前景最为广阔的一种纳米材料 , 它是当前众多纳米材料中的“明星” 。 我国对纳米二氧化钛的研究已经进入产业化开发与 生产...
2015年纳米二氧化钛发展现状及市场前景分析
2015年纳米二氧化钛发展现状及市场前景分析_调查/报告_表格/模板_实用文档。中国纳米二氧化钛项目可行性分析与发展 趋势预测报告(2015 版) 报告编号:1588353 中国产业...
纳米二氧化钛综述
纳米二氧化钛的研究现状综述摘要:近年来,人们对纳米二氧化钛进行了广泛的研究。本文根据近年来国内外 对纳米二氧化钛的研究, 对纳米二氧化钛的制备技术及其光催化应用...
纳米二氧化钛的制备及光催化
苏州科技大学 材料科技进展化学生物与材料工程学院 材料化学专业 题目: 纳米二氧化钛的制备及光催化 姓学 名: 号: 吕岩 1020213103 刘成宝 指导老师: 起止时间:5...
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