纳米TiO2光催化涂料的研究进展

林杰赐，陈炳耀，陈明毅

(1.广东顺德三和化工有限公司，广东 佛山 528325；2.广东三和化工科技有限公司，广东 中山 528429)

当今社会经济的快速发展，科学技术的不断进步，人们在享受人类文明的同时，也无时不刻受到经济科技发展造成的环境污染，特别是空气污染和水质污染的危害。随着人们环保理念的提高，以及对绿色健康生活的追求，具有净化空气和水质功能的产品越来越受到人们的欢迎。纳米TiO2具有很强的光催化能力，在紫外线的照射下能催化降解甲醛、甲苯等有机污染物和杀菌抗菌的作用，而且具有无毒、耐酸碱、耐腐蚀、能耗低、可循环使用等优点受到人们的关。越来越多人将纳米TiO2添加在涂料中，并运用到室内装修、蓄水池等地方，起到净化空气和水质的作用，有效的改善人们生活环境。

1 纳米TiO2概述

二氧化钛主要有金红石型、锐钛矿型两种类型的晶型结构，其中金红石型TiO2每个晶胞含有两个TiO2分子，锐钛型TiO2每个晶胞含有4个TiO2分子，且金红石型比锐钛型结构更致密，更稳定，但由于金红石型TiO2晶胞密度较大，光化学活性小，载流子迁移率较低，并且外表不易产生缺陷，比表面积小，对O2的吸附能力差，光生电子迁移速率没有锐钛矿高，电子空穴对也极易复合，所以其光催化活性远不如锐钛型TiO2[1]。

TiO2是一种具有能带结构的宽禁带半导体，由被电子填满的低能价带和空的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带。TiO2的光催化反应的能力由能带位置与被吸附物质的还原电势决定。当受体电势比TiO2导带电势低，而给体电势比TiO2价带电势高时，吸附在TiO2表面的物质就会发生氧化还原反应[2]。

2 纳米TiO2的光催化机理

纳米TiO2具有较高的紫外吸收率，能吸收自然光中波长小于387 nm的紫外光，产生电子-空穴对，而且其存在较大的禁带宽度，氧化还原能力较强，催化选择性非常好，对多种有机污染物(如苯、甲苯、甲醛等)均能起到降解的作用。

当纳米TiO2表面受到紫外线的照射时，波长小于387 nm的紫外线就会被吸收，价带上的电子吸收光子能后便被激发移至导带上，形成光生电子，失去电子的价带上便形成了光生空穴。O2极易捕获纳米TiO2晶体表面上的光生电子，生成O2-，因O2-极不稳定，容易质子化形成氧化能力极强的羟基自由基·OH，促使有机物氧化降解；而光生空穴则会吸附并氧化降解表面上的有机物，或是先与表面上的H2O和OH-反应生成·OH自由基，进而氧化表面的有机物，将其降解为无毒的CO2和H2O[3]。

3 纳米TiO2光催化涂料

纳米TiO2因其较强的光催化能力受到很多涂料研发工作者的关注，不少企业也相继开发和推出用于净化空气或水质的光催化纳米TiO2涂料，受到众多消费者的青睐。

文立新[4]等人以纳米TiO2为主要功能填料，与丙烯酸乳液制成一款具有空气净化能力的水性功能涂料，发现其在5 h的甲醛总去除率可达到83.2%，净化空气的效果较为明显。而刘秀娟[5]等人则用硅藻土和纳米TiO2、活性氧化铝制备出具有物理吸附和光催化降解有机污染物的功能涂料，其5 h的甲醛去除率可高达94.08%，这应该是得益于硅藻土及活性氧化铝对有机小分子有较强的吸附能力，在前期涂层对有机污染物主要起到物理吸附的作用，快速高效的将空气中的有机污染物吸附到材料上，然后在光照的情况下，纳米TiO2在紫外线的作用下催化降解吸附在表面的有机污染物，使得净化效果更为明显。

但由于单纯的纳米TiO2稳定性较差，在复杂体系中容易失去光催化活性，从而丧失降解有机污染物和分解细菌的能力，因此程俊[6]等人利用水热法将纳米TiO2成功负载到氧化石墨烯制成纳米TiO2/氧化石墨烯复合材料，并添加到水性聚氨酯涂料中，改善了纳米TiO2在体系中失活的情况，并有效的提高了涂层的抗菌能力。结果表明，添加了TiO2/氧化石墨烯复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均达到99.9%，耐久抗菌性则分别达到99.8%和98.9%，而在紫外线作用下12 h后对甲基橙的光催化降解率达到了88.5%，可有效降解水中的有机污染物和细菌，起到改善水质的作用。

杨志恒[7]在其研究中对TiO2用β环糊精(β-CD)进行改性处理，将β-CD成功的负载到纳米TiO2，并制备出纳米TiO2/CDP复合材料并制成一种具有高吸附性和光催化活性特种涂料。在甲醛加入量分别为5、15、25 μL的情况下模拟不同甲醛初始浓度涂层的催化降解能力，发现在甲醛加入量为5 μL时，其催化降解率达到90%以上，而在甲醛加入量为15 μL和25 μL时，其催化降解率分别达到85%以上和80%以上，体现出比纯纳米TiO2更优异的催化效果。这是由于β-CD具有良好的吸附性能，将外部的甲醛分子吸附到涂层表面，再由表面的纳米TiO2进行光催化降解，起到吸附-催化协同作用净化空气的效果。

4 结语

纳米TiO2在光催化材料中的不俗表现，使其拥有广阔的应用前景，但是其只有在紫外光的作用下才能发挥出较好的光催化能力，在一定的程度上限制了其运用。还有锐钛型纳米TiO2的结构较金红石型纳米TiO2不稳定，金红石型纳米TiO2的光催化活性又低于锐钛型纳米TiO2，因此解决其光催化活性和长久催化能力也成为亟待解决的问题。目前已有许多对纳米TiO2性能的研究，并在提高催化活性和增强其对可见光的吸收能力取得一定的成果[8-10]，相信在不远的将来，光催化技术会更加成熟。