二氧化钛材料的应用研究进展

甘禹鑫，张帅奇，王志鸽，王慧春

（青海师范大学生命科学学院，青海 西宁 810008）

二氧化钛（TiO2）是一种白色固体或粉末状物质，属于两性氧化物，在自然界中以金红石、锐钛矿和板钛矿等3种晶型存在。TiO2因白度好、着色力和遮盖力强、化学稳定性强、无毒无污染等优点[1]成为研究热点之一，在环境保护、工业生产、医疗卫生、新能源等多个领域得到广泛应用。本文主要介绍了TiO2材料的发展历程及其应用现状。

1 TiO2材料的发展历程

钛白粉是由粒度在0.2～0.3μm的晶相TiO2颗粒组成的一种亚微米级粉体材料，是TiO2的主要产品形态[2]。1958年，美国开始工业化生产钛白粉，此后TiO2的应用市场迅速被打开，成为应用最广、用量最大的一种无机颜料，被认为是当今世界上性能最好的一种白色颜料，广泛应用于涂料、塑料、造纸、油墨、橡胶、化妆品等工业领域[1]。

1972年，日本科学家Fujishima等发表了TiO2电极光催化分解水的科研成果，标志着光催化新时代的到来。TiO2因光催化活性高、稳定性好、无毒等优点，被作为光催化剂得到广泛的研究并投入使用。随着纳米技术的发展，纳米TiO2材料开始兴起。研究发现，纳米TiO2光催化材料可以有效降解多种废水及空气中的有毒有害物质，还能杀菌、除臭[3-5]，因此TiO2在环境污染及处理等领域迅速发展起来。

2 TiO2材料的应用

2.1 环境保护

2.1.1 污水处理

随着我国城镇化的迅速发展，工业污水和生活污水逐年增加，水污染问题日益突出[6]，采用有效方法处理污水迫在眉睫。TiO2材料因其无毒价廉、降解速率快、反应条件温和、可循环利用等优点，被公认为是最理想的光催化剂[7]，可催化降解染料废水、农药废水、造纸废水、垃圾填埋场渗滤液中的多种有机物。张新海[8]的研究结果表明，在溶液pH值为2、通入空气量0.5L·min-1、催化剂用量0.5g·L-1的实验条件下，制备的TiO2固体光催化剂对敌百虫废水的降解率最大可达80%以上。陶然等人[9]研究发现，在紫外光灯的照射下，负载型TiO2光催化剂对酸性红18染料溶液的降解率为99.1%，对活性紫145染料溶液的降解率为78.2%。

2.1.2 空气净化

工业生产、城市开发、机动车的使用等排放了大量的污染物，导致环境污染加剧。长期接触空气污染物会影响人们的身体健康。TiO2光催化剂能够有效地催化降解甲醛、氮氧化物等多种常见的空气污染物，广泛应用于室内外空气净化[10]。景慧等人[11]发现，5nm的TiO2可以有效拓展TiO2的光催化波长段，在相对湿度为50%的室内，于正常光照条件下喷涂1.1g·m-2的5nm的TiO2，就可将1mg·m-3甲醛在36h内去除干净。

2.1.3 自清洁涂层

自清洁涂层是指利用自身特性阻止污染物或细菌等生物聚集在表面的涂层，具有环保、方便、节约资源等特点，在建筑涂料、医疗、化工、汽车、电器和电子设备等领域应用广泛[12]。TiO2具有光催化活性，且其薄膜表面具有超亲水性，可用于制备自清洁涂料。赵玥[13]用蒸发法制备了含TiO2的自清洁涂料，其中含15% TiO2的涂层对灰尘、污渍都具有较好的自清洁效果。

2.2 工业生产

2.2.1 在颜料与涂料中的应用

颜料级钛白粉的折射率高，消色力强，遮盖力大，分散性好，白度好，无毒，物理和化学性质稳定，并且有优良的光学、电学性能[14]。钛白粉的使用占所有白色颜料的90%以上，作为颜料，在工业生产中可以起到增色、提亮、提高产品品质等作用。钛白粉在乳胶漆、卷材和印铁涂料、汽车漆、粉末涂料中的应用较多[15]。其中，粒径在200～400nm之间的颜料级钛白粉，不仅具有紫外线屏蔽、静电屏蔽、耐磨耐刮伤等性能，还可以提高涂料的附着力，防止涂料流挂[16]。

2.2.2 在纺织和化纤中的应用

纺织和化纤是钛白粉的一个重要应用领域，在化纤中一般使用锐钛型钛白粉[17]，可起到消光的作用。TiO2的折射率较高，一般将0.2%～0.5%的TiO2加入到合成纤维，就能达到很好的消光效果[18]。王鑫峰[19]以偏钛酸为原料，在一定的反应条件下，控制钛白粉粒径在200～300nm，经后处理生产的化纤消光用TiO2，具有粒径分布窄、分散性好的优点。

2.2.3 在化妆品中的应用

TiO2可以吸收、反射、散射紫外线，能起到防紫外线照射的作用，在化妆品领域有一定的应用潜力[20]。但纳米TiO2本身的比表面能大，极性强，易团聚，影响了实际应用效果，因此通常将纳米TiO2进行表面改性后再在化妆品领域使用[21]。余爵等人[22]采用一步水热酯化反应得到木质素改性TiO2，并将其作为唯一的防晒组分制备了防晒霜。测定结果显示，添加质量分数为20%的溶剂型木质素改性TiO2后，防晒霜的SPF值达到72.83，比添加纯TiO2防晒霜的防晒效果好，肤感更优。

2.2.4 在其他工业领域中的应用

纳米TiO2应用在造纸工业中，可以起到使纸张色彩亮丽、抗紫外线、稳定不易返黄等作用[23-24]。在水性油墨中加入颜料级TiO2，可使油墨具有着色强、易分散、耐久性好等优点[25]。此外，纳米TiO2在食品工业生产中作为食品包装材料，可以提高食品贮藏品质，有利于食品保鲜[26]；其在塑料、橡胶等工业生产领域也有较多的应用研究。

2.3 医疗卫生方面的应用

TiO2光催化材料可以破坏细菌的细胞壁和细胞膜，从而起到杀菌消毒的作用[27]。李君建[28]研究了Ag-TiO2/RGO复合材料对大肠杆菌的抑菌效果，结果表明，当载银量为5%时，大肠杆菌抑菌圈的直径达到8.5mm，说明这种复合材料具有较好的抑菌性能。纳米TiO2能够分解病原菌和内毒素，在医院病房、手术室等细菌大量繁殖的场所使用TiO2光催化抗菌建材，室温条件下就能够降解固体表面和液体中的内毒素[29]。另有研究表明，在光照下，TiO2对宫颈癌细胞有明显的杀灭作用[29]，在治疗肿瘤等医疗领域有很大的发展空间。

2.4 能源领域

2.4.1 在电池中的应用

太阳能电池是一种可持续发展的绿色能源。染料敏化太阳能电池（DSSC）的成本低，制作方法相对简单，无毒无害无污染，有着很好的开发前景[30]。TiO2可用于染料敏化太阳能电池的生产，在TiO2电极表面添加纳米Au、Ag或Pt等贵金属粒子，掺杂非金属离子、过渡金属配合物，可以提高TiO2的光电转换效率[31]。TiO2还可以作为钙钛矿太阳能电池中的电子缓冲层材料，以及锂离子电池、钠离子电池的负极材料等[32-33]。

2.4.2 在制氢中的应用

氢气是一种清洁无污染的能源，TiO2光催化材料在制氢方面有很大的应用潜力。水分子中的氢氧键的键能较大，分解水时需要较大的能量，而TiO2光催化材料可以降低水分解时的活化能，使反应温和[34]。谢依婷等人[35]制备的石墨烯/介孔TiO2复合材料，在紫外光条件下，催化产氢活性达241mmol·g-1·h-1，可见光条件下的产氢活性也可达9mmol·g-1·h-1。杜新华等人[36]的研究表明，Au纳米颗粒的等离子共振效应以及助催化剂MoS2，能有效提高TiO2的光催化产氢活性，当Au的负载量固定为2% (w)，MoS2含量为0.1%(w)时，光催化产氢速率高达 708.85μmol·h−1。

3 问题与展望

TiO2材料虽已应用在多个领域中，但其对太阳光的利用率低、颗粒细小等缺点，使其发展和应用受到一定限制。此外，TiO2材料在生产工艺转型、复合涂料等领域的研究较少，仍停留在实验室阶段，没有投入到生产生活的实际应用中。在环境污染及资源短缺的形势下，TiO2基材料的开发应用，还需要进一步发展完善，使其在更多领域发挥最大的潜力，推动社会可持续发展。