纳米二氧化钛的光催化性及其应用研究进展

刁润丽

关键词：纳米二氧化钛;光催化性;应用;进展

1前言

纳米材料是一类超细材料，粒径在0.1nm—100nm结构范围内，具有表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能[1，2]。纳米二氧化钛是目前使用的最为广泛的新型无机纳米材料之一，又被称为纳米钛白粉。纳米二氧化钛价格低廉，资源丰富[3]。纳米二氧化钛有很多优异的物理、化学性质及光电等性能，如光催化性、屏蔽紫外线功能及颜色效应等，高的热导性、磁性，良好的透明性，优异的抗菌性，是新型光催化无极功能材料，且纳米二氧化钛在使用期间不会有自身损耗情况出现，因此应用非常广泛。随着技术的发展，其应用领域还会进一步拓展。

2纳米二氧化钛的光催化机理

TiO2半导体催化剂是建立在光化学和光物理基础上的，半导体由空的高能导带和低能价带两者构成，中间区域是禁带。照射到表面的光能（A<400nm）等于或大于Ti02带隙（通常金红石3.0eV，锐钛矿3.2eV）的能量时，瞬间内可激发孤电子到Ti02导带，电子一空穴对形成。由于光子、吸附物质和催化剂三者之间作用形式的不同，致使电荷向不同的方向转移，由此将催化反应分为催化光反应和敏化光反应，催化光反应中电荷的转移方向是由吸附物质到催化剂，敏化光反应中电荷的转移方向与此相反。

3纳米二氧化钛光催化性能的应用

3.1空气净化

随着社会经济的发展，大气污染不断加剧以及家用电器的过度使用，环境污染问题也越来越严重。因此，如何净化空气、优化环境引起人们的高度重视，而TiO2光催化降解技术能有效解决这些问题，光催化技术是在常温、常压条件下，利用大气中的氧气，将其作为氧化剂，以便使空气得到净化的一种常用的空气净化方法。此外，我们还应遏制住有害气体的主要来源，通过改善源头也能有效使空气质量得到改善，而关于这个来源主要有两个方面：室内空气污染和大气污染，大气污染主要是来自工业处理时所排放的废气、氮氧化物等，而我们可利用纳米TiO2进行氧化反应合成硝酸，从而在降雨的过程中被去除，有效降低污染;室内的有害气体主要来自于室内装潢、生活排污所产生的如甲醛、氨气等。家居空气污染也可用纳米二氧化钛的光催化技术也可以将甲醛等室内空气污染物去除，这种技术非常安全，而且可以大大减少二次污染。空气中的异味、恶臭气体等也可以采用TiO2光催化技术去除。

3.2抗菌

面对周围环境破坏程度的不断加剧，抗菌功能材料的需求越来越迫切。因此，纳米TiO2光催化已开始用于抗菌方面，可以抑制和杀灭癌细胞、真菌、藻类、病毒和细菌等。经过科学家的研究分析显示，纳米二氧化钛材料能够借助光催化作用有效消灭微生物的恣意生长，从而降低环境有害成分的数量。抗菌是指在一定的光照条件下，二氧化钛可以抑制甚至杀灭环境中的微生物。其原理为：二氧化钛经光照激活会产生电子一空穴对，其表面也会吸附一些氧气分子和氢氧根离子，随后将其与电子一空穴对相互作用，发生链式反应，使细菌蛋白质中的糖类聚合和多肽链遭到破坏，最终达到灭菌的效果。

3.3污水处理

纳米二氧化钛具有光催化性，是一种稳定性好、氧化能力强、无毒、高效低成本、可回收的催化剂，将其用于水处理方面是非常有潜力的。纳米二氧化钛可以分解、降解普通方法难以降解的高难度有机物，借助二氧化钛的光催化性，能够将防腐剂、除草剂、洗涤剂、有机磷、卤代物、有机氯、含氮有机物、燃料、羟酸、烃类和表面活性剂等日常生活有害物质朝着无毒CO2、H2O、HCl等小分子产物转化。因此，在各类废水处理过程中添加一定量的纳米二氧化钛，都能对水体中各类有害物质进行有效净化，推动水体净化目的的实现。

3.4塑料

厨房用品、食品包装袋等塑料制品在我们的日常生活中运用十分广泛，但是这些塑料制品滋生细菌的可能性非常高，故而必须对此类材料严格落实抗菌杀毒加工处理。在太阳光中的紫外光照射的条件下，纳米二氧化钛会有光催化反应产生，可分解有机物，起到抗菌杀毒的作用。因此，在塑料制品中添加納米二氧化钛，可实现表面自洁、抗菌杀毒的作用。可见光能透过纳米二氧化钛，但是紫外光却被其屏蔽，因此将纳米二氧化钛添加到塑料类食品包装材料中，塑料可呈现透明色，方便直接观察食品，同时又能避免食品变质过早。此外，加入纳米二氧化钛也不会导致塑料出现老化、材料变色等。加之纳米二氧化钛无毒，热稳定性、化学稳定性都非常好，因此使用十分安全，属于理想型的抗菌塑料添加料。

3.5清洁涂层

日常生活中会有这样一些难处理的情况：建筑材料如陶瓷、玻璃等在经过一定时间的使用后，会有大量污垢沉积在其表面，既影响美观但又不容易清理。将纳米二氧化钛薄膜涂覆在这些建材的表面，利用纳米二氧化钛的光催化性，很容易的就将污垢去除，使它们分解为二氧化碳和水，利用天然的雨水就能将其冲刷干净，不需再用清水洗涤，而且可以保持很长一段时间。如果将纳米二氧化钛薄膜涂在汽车的后视镜上，就能阻止水蒸气或雨水凝结在镜面上，能使镜面一直保持光亮、清洁，从而使驾驶的安全性提高。在普通的镜面上涂覆纳米二氧化钛薄膜，即使放在浴室中，不用擦拭，依然可以看到镜面光亮、清晰。

4结语

纳米二氧化钛具有独特的光催化性能，使其应用范围非常广泛，其光催化性在多个领域引起了广泛的关注。随着研究的日益深入，相信还会有更多方面的发展和应用开发出来。