纳米二氧化钛在生活中的应用
前言
纳米TiO
2
具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好
的发展前景。
纳米TiO
2
还具有很高的化学稳定性、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，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天
工业中、锂电池中。
在此仅介绍纳米TIO
2
在光催化触媒生活中的应用。
一、纳米TIO2光催化原理
在日光或灯光中紫外线的作用下使Ti0
2
激活并生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等有机物及部分无机物。
能够起到净化室内空气的功能。
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 TiO
2
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 :
TiO
2
+ hν e —— + h
H
2
O + h——·OH+ H
O 2 +e—— O
2
·
O 2·+ H—— HO
2
·
2HO
2· —— O
2
+ H
2
O
2
H 2O
2
+O
2
· ——·OH+OH +O
2
吸附溶解在TiO
2
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CO
2和H
2
O;而
空穴则将吸附在TiO
2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。
TiO
2的杀菌作用在于它的量子尺寸效应 ,虽然钛白粉(普通 TiO
2
)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TiO
2
,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。
纳米二氧化钛具有很高的表面活性，抗菌能力强，产品易于分散。
经试验表明，纳米二氧化钛对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和曲霉菌等具有很强的杀菌能力，已广泛应用于纺织、陶瓷、橡胶、医药等领域的抗菌产品，深受广大用户的欢迎。
二、纳米二氧化钛的制备方法
目前，制备纳米TiO
2
的方法很多，基本上可归纳为物理法和化学法。
物理法又称为机械粉碎法，对粉碎设备要求很高；化学法又可分为气相法（CVD）、液相法和固相法。
（1）物理沉积
物理气相沉积法（PVD）是利用电弧、高频或等离子体等高稳热源将原料加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷使之凝聚成纳米粒子。
其中以真空蒸发
法最为常用。
粒子的粒径大小及分布可以通过改变气体压力和加热温度进行控制。
该法同时可采用于单一氧化物、复合氧化物、碳化物以及金属粉的制备。
（2）化学沉积
化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物，该法制备的纳米TiO
2
粒度细，化学活性高，粒子呈球形，单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。
该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉体的收集和存放问题。
CVD法又可分为气相氧化法、气相合成法、气相热解法和气相氢火焰法。
气相氢火焰法：是通过四氯化钛氢火焰燃烧得到，反应方式如下：
TiCl
4+2H
2
+O
2
= TiO
2
+4HCl
三、纳米TiO2性质
纳米二氧化钛主要有两种结晶形态：锐钛型（Anatase）和金红石型（Rutile）。
金红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。
而锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。
在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。
四、纳米TiO2表征方法
（1）透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）
透射电镜( TEM)和扫描电镜( SEM)应用 TEM可直接观察样品表面形貌、外表面的几何形态、测定粒子的平均大小和粒度分布 ,观察并解释样品图像中的形貌反差特征 ,如消光轮廓、各种物相反差特征和品格图像 ,这些皆可提供样品结构的信息。
应用SEM可直接观察实体样品 ,结果更接近实际情况 ,且景深大 ,图像具有较强的立体感 ,但是其分辨率不如透射电镜。
(2)荧光光谱
二氧化钛光催化剂受光激发后会产生电子和空穴 ,其中有一部分电子和空穴起氧化还原作用 ,另一部分则会复合 , 能量以光的形式释放出来。
研究表明:电子和空穴复合时会发出荧光 ,低的荧光发射强度意味着低的电子空穴复合率 ,意味着高的光催化活性。
在研究金离子掺杂二氧化钛的光催化性能时发现 ,荧光
发射强度随金离子掺杂摩尔分数的变化规律与亚甲基蓝降解一级动力学常数随金离子掺杂摩尔分数的变化规律是一致的 ,金离子掺杂摩尔分数为0. 5 %时荧光发射强度最低 ,而此时的一级动力学常数最大 ,为0. 0927。
(3)红外光谱(IR)
越来越多的研究者利用 IR 研究二氧化钛光催化剂中的成键情况、表面吸附
情况。
通过IR谱发现: TiO
2膜表面吸附CO
2
的含量多于TiO
2
-Sn膜 ,而表面吸附
的CO
2
可以和表面羟基以及桥氧形成双齿结构的表面物种,使有利于光催化的表
面活性物种的含量降低 ,从而降低了催化剂的光催化活性。
利用IR研究了以甲醇、乙醇、丙醇为溶剂用溶胶凝胶法制备的二氧化钛干凝胶的成键情况 ,发现以
甲醇为溶剂的干凝胶在400 — 800 cm处(Ti
2
O) n的特征峰增强 ,这说明其矿化度和聚合度增强 ,TEM 结果证实 ,以甲醇为溶剂制备的二氧化钛粉末有较好的分散性能。
五、生活中纳米二氧化钛的应用——利斯特光触媒。