二氧化钛吸附研究及应用概述
江默语
（昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明 650093）摘要：近年来，随着理论计算方法的发展和计算能力的提高，以及纳米技术的发展，借助投射电镜等各种研究设备，人们对二氧化钛(TiO2)的了解逐渐加深。
二氧化钛(TiO2)由于其具有的独特性质，开始在光催化、CO氧化以及太阳能电池等多个领域被广泛应用。
尤其是对二氧化钛(TiO2)吸附以及催化特性的研究与应用，在环境污染治理、医学研究、化工等领域具有不可替代的作用。
关键词：二氧化钛，表面吸附，镉离子污染，有机物污染
Research and Applications of Titanium Dioxide Adsorption
JIANGmo-yu
(School of Materials and Engineering, Kunming University of Science and
Technology, Kunming, 650093, China)
Abstract:Recently, with the development of theoretical calculation method, calculation ability and nanotechnology , scientists are getting to know more about Titanium dioxideunder the help oftransmission electron microscope. Titanium dioxide, due to its unique properties, is playing an important part in photochemical catalysis, oxidization of carbonic oxide and the development of solar cell. Specially,studies about externaladsorption andCatalytic properties of Titanium dioxide, is becoming more and more important in pollution administration, medical research, chemical industry and so on.
Keywords: Titanium dioxide,externaladsorption, Cadmium ionpollution, organic pollution
0引言
纳米二氧化钛是指粒径尺寸在100nm以内的粒子,由于其粒子尺寸小、比表面积大,表面能表面张力随粒径的下降急剧增大而使其具有一系列新异的物理化学性质,如量子效应、体积效应表面效应等,在净化水体和空气等方面起着重要的作用。
此外,纳米二氧化钛表面原子周围缺少相邻的原子,具有不饱和度,易于其他原子结合而稳定下来,对许多金属离子具有很强的吸附能力,是衡量金属离子分析的理想分离富集材料。
1.二氧化钛基本介绍
近些年来，关于金属氧化物表面科学的研究已经逐渐成为一个新兴的研究领域。
很多研究人员已经在这个领域取得了巨大成就。
在这些金属氧化物中，二氧化钛是一个重要成员，甚至被称为金属氧化物模型表面的代表。
在自然界中，二氧化钛存在三种形态的矿物结构:金红石型，锐钛矿型和板钛矿型(见图1.1)。
在这三种结构中，金红石型是最为常见和稳定的结构。
从实验的角度来说，其他两种形态的二氧化钛都可以通过加热的方式最终转变成金红石型。
目前在自然界中还没有发现天然的大块Ti02单晶体，要获得高纯度二氧化钛，可以通过氯气处理天然矿石来获得。
图1-1 二氧化钛主要的三种矿物结构堆垛结构图
在二氧化钛的三种结构中，只有金红石型和锐钛矿型在二氧化钛应用中占主要角色，同时在表面科学研究中它们也是主要的研究对象。
而且大块的锐钛矿型二氧化钛单晶目前人们还基本没有办法合成得到，目前世界上只有美国新奥尔良大学的Diebold组拥有一块较大的天然锐钛矿型二氧化钛单晶，所以在当前表面科学的研究中金红石型的比重是远大于锐钛矿型的。
本文所介绍的二氧化钛都是以金红石型为主。
图1-2 金红石型Ti02晶体原包结构图
二氧化钛是一个四角形的结构，每个晶胞由两个Ti原子和四个O原子组成。
每个Ti原子被六个O原子所包围，六个O原子组成一个八面体，八面体中间容纳一个Ti原子，在晶体中八面体由相互成九十度的长轴连接起来，每个O原子都是三配位的。
四次对称和二次对称的Ti-O原子之间的键长分别为1.946Å和1.983Å。
具体结构参数见图1.2。
金红石型二氧化钛是一个宽禁带半导体，其禁带宽度大约为3eV。
价带主要由02p轨道贡献，导带主要是由Ti3d轨道贡献。
图1.3所示的是理论计算得到的金红石Ti02体态的局域态密度((DOS图)。
图1-3 金红石型Ti02晶体的体态DOS图
2. 二氧化钛吸附介绍
纳米二氧化钛是指粒径尺寸在100nm以内的粒子,由于其粒子尺寸小、比表面积大,表面能表面张力随粒径的下降急剧增大而使其具有一系列新异的物理化学性质,如量子效应、体积效应表面效应等,在净化水体和空气等方面起着重要的作用。
此外,纳米二氧化钛表面原子周围缺少相邻的原子,具有不饱和度,易于其他原子结合而稳定下来,对许多金属离子具有很强的吸附能力,是衡量金属离子分析的理想分离富集材料。
3.应用概述
（1）镉是一种对人体毒性很大的金属元素,是环境污染的主要元素之一,人体摄入过多会严重影响人的肾脏、肝和肺等,镉离子污染不同于有机物污染,后者可以在环境中被其他微生物降解,而镉污染一旦形成,将很难治理。
因此研究废水中镉离子的吸附问题具有重要的现实意义。
利用二氧化钛的吸附作用，可以达到治理重金属离子污染的目的。
（2）近年来，有机物污染问题己经成为全球性的问题。
解决这一问题最有效的方法之一就是光催化降解。
二氧化钛纳米材料由于其本身生产成本低，无毒
性，无二次污染，化学稳定性及光催化活性高等优势，己经被广泛的用于光催化降解有机污染物。
但是由于二氧化钛具有较宽的带隙，不能有效的吸收可见光以及光生电子一空穴对的复合等原因降低了其光催化效率，限制了其作为光催化剂的广泛应用。
为了提高二氧化钛在可见光条件下光催化降解有机物的效率，许多科研工作者付出了很大的努力，其中最有效的方法之一就是对Ti02进行掺杂。
Ti02的掺杂包括金属元素和非金属元素掺杂。
非金属元素掺杂，像N, C,F,S等掺杂可以使光催化剂的带隙变窄，从而提高可见光下的降解率。
金属离子像Fe, V, Cr, Nd, La等掺杂可以提高光生电子一空穴对的分离率，对光催化活性的提高有重要影响。
Ti02中过渡金属掺杂剂可以提高电子的捕获率，阻止光生电子—空穴对的重合。
稀土元素掺杂会提高催化剂的表面吸附。
（3）二氧化钛由于其独特的催化性能，已经在世界上被广泛应用。
例如，TiO2可以被用来光催化处理废水，医学上可以用于人体的植入组织，太阳能电池中用于产生氢能与电能，另外还有一些用于光学涂料和器件等。
当二氧化钛表面被紫外线照射时，它会变成有一个杀菌的表面，可以在很长一段时间内杀死接触的细菌。
当二氧化钛中掺入铝的正三价离子的时候，它又可以变成一个强有力耐用的化学活性材料，这时，可以用于墨水、陶器等等。
由于二氧化钛散射光线，二氧化钛可以用于防晒霜而不伤害皮肤。
另外，二氧化钛还可以用于清洁空气，用于分解空气中的一些有害物质。
4.结论
通过本文可获得以下结论：
科学技术是一把双刃剑，再造福人类、为人类社会带来方便、快捷的同时也在给自然、环境带来一些负面作用。
而科学工作者的责任就是用好这把双刃剑，
在造福人类的同时，兼顾自然、环境的保护，从而获得持续、长久发展！
参考文献
（1）汪卓.二氧化钛表面缺陷及分子吸附的理论研究.2010
（2）爨谦.二氧化钛的表面结构-化学吸附及其光催化特性的密度泛函理论研究.2014
（3）李玮琨.二氧化钛结构和催化性质的密度泛函理论研究.2014
（4）石慧.二氧化钛与钛酸锶表面小分子吸附与分解的DFT研究.2015
（5）占昌朝.金属离子掺杂及表面硫酸化改性介孔TiO2-SiO2制备、表征及其光催化性能研究.2013
（6）曾丽萍.碳纳米管/二氧化钛/壳聚糖薄膜的制备及降解室内苯的研究.2012 （7）苗萌.小分子在二氧化钛和石墨烯表面吸附与反应的第一性原理研究.2014 （8）付伟伟.Ti-V-Cu过渡金属化合物能源材料、催化材料的合成与制备.2013 （9）刘于民.二氧化钛表面功能化及应用研究.2011
（10）纳米二氧化钛对镉离子吸附研究.2012
（11）向全军.二氧化钛基光催化材料的微结构调控与性能增强.2012。