纳米二氧化钛结构及性能摘要本文主要通过对纳米二氧化钛结构及性能的介绍，引出其应用，特别是在环境净化方面的应用。

纳米二氧化钛是一种新型环境净化材料，有板铁矿、锐铁矿和金红石三种晶体结构，具有良好的光催化性能及亲水性，这也是其在环境净化方面的应用基础，主要用于净化水、空气和杀菌，另外还可做建筑涂料。

本文着重介绍了其在废水处理方面的应用，有处理染料废水、处理农业废水和处理含表面活性剂的废水、处理含油废水和处理造纸废水。

制备方法主要有：溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、钛醇盐的气相水解法以及液相沉淀法其中液相沉淀法又包括直接沉淀法、均匀沉淀法以及共沉淀法。

关键词环境；材料；净化；纳米二氧化钛；结构；性能；应用；光催化技术；综述目录1 绪论 (4)的结构 (5)2 TiO22.1 晶格结构 (5)2.2 表面结构 (5)的性质 (6)3 纳米TiO23.1 晶型的性质 (6)3.2 光学性质 (6)3.3 半导体性质 (6)的应用 (6)4 纳米TiO24.1 充当太阳能电池原料 (7)4.2 防紫外线功能 (7)4.3 光催化功能 (8)4.3.1 气体净化 (8)4.3.2 处理有机废水 (8)4.3.3 处理无机污水 (8)4.3.4 防雾及自清洁功能 (8)4.3.5 杀菌功能 (9)5纳米TiO的制备 (10)2水解法 (10)5.1 TiCl45.2 醇盐水解法 (10)5.3 溶胶-凝胶法 (11)5.4 水热合成法 (11)5.5 微乳液法 (11)6 结语 (12)参考文献 (13)致谢 (14)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，4.表面活性大，5.热导性好，6.分散性好，制得的悬浮液稳定7.奇特的颜色效应8.较好的热稳定性9.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。

1．0 绪论1.1 绪论1988年第1届IVMRS国际会议(东京)上首先提出了环境调和材料。

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，日本的铃木、山本等提出，环境负担最小，而再循环利用率最高的材料称为环境材料。

它包括节能材料；再循环材料；净化材料；增进健康材料；调光、调温、调湿材料；调节环境材料(包括树木)。

其中净化材料指可净化或吸附有害物质的材料或物质。

[1]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:无需昂贵的氧化试剂，空气中的氧就可作为氧化剂；而二氧化钦催化剂价格低廉，无毒，化学及光化学性质稳定；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；氧化还原反应无选择性，可以杀灭大多数的微生物。

2．0 TiO 2的结构2.1 晶格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TiO 6八面体，区别在于TiO 6八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TiO 6八面体共边组成，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板钛矿和锐钛矿是22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TiO 2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TiO 2的光催化活性最高。

2.2 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O 2P 轨道组成，而空的导带由Ti 的3d ，4s 和4p 轨道组成，Ti 3d 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Ti 3d 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Ti 3+表面缺陷。

Konstantin 等人的研究则发现，在锐钛矿TiO 2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。

3.0 纳米TiO2的性质3.1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。

3.2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。

3.3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。

4.0 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。

4.1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。

4.2.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。

4.3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。

4.3.1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。

4.3.2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H2O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。