纳米二氧化钛的光催化特性及研究应用

《纳米材料光催化应用》 2013年4月19日 马坤

高科技的飞速发展对高效性能材料的要求越来越高，纳米尺寸的合成会为开发高性能新材料和对现有材料的性能的改善提供一条新途径。纳米二氧化钛是近年来发展起来的一种新型高性能材料，其粒径尺寸在1~100nm，表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大而使其具有块状材料所不具备的量子尺寸效应、体积效应和宏观隧道效应。与常规材料相比，纳米二氧化钛（JR05）具有比表大、磁性强、光吸收性好、表面活性大、热导性好、分散性好等独特的性能，同时还具有光化学性质稳定、催化效率高、氧化能力强、无毒、价格便宜等优点，在化妆品、塑料、涂料、精细陶瓷、催化剂及环保领域应用广泛。纳米二氧化钛的开发和利用就已受到人们的广泛关注。

一、 光催化

1、光催化的定义

光催化是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光催化是利用自然界存在的光能转换称为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的自由负离子。

2、光催化材料种类

可用作光催化剂化合物，大多是具有半导体性质的，如ZnO、WO3、CdS、Fe2O3、TiO2等，然而ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn（OH）2；WO3对人体的眼睛、皮肤有刺激性，低毒，会危害人们的健康；CdS金属硫化物在水溶液中不稳定，会发生光腐蚀，且有毒；Fe2O3铁的氧化物也会发生光腐蚀；TiO2因其氧化能力强，化学性质稳定，无毒且与人体相容性好，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。

3、光催化的发展

●1972年，日本的Fujishima在半导体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用，从而开辟了半导体光催化这一新的领域。

●1976年，J.H.cary报道了TiO2水体系在光照条件下可以非选择性的氧化各类有机物，使之彻底氧化为水（H2O）和二氧化碳（CO2）。

●从70年代末开始，利用半导体光催化氧化剂处理各类废水研究有大量的报道，光催化技术再环保、卫生保健、有机合成等方面的应用研究发展迅速，半导体光催化成为国际上催活跃的研究领域之一。

4、光催化反应机理

当半导体TiO2纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴，导带电子具有强还原性，价带空穴具有氧化性，空穴与TiO2粒子表面的OH-反应生成氧化性很高的OH自由基，活泼的OH自由基可以把许多难解的有机物氧化为水（H2O）和二氧化碳（CO2）等无机物。

二、 纳米二氧化钛（JR05）光催化的应用

1、纳米二氧化钛（JR05）光催化杀菌

随着生活水平的提高，人们对工作和生活环境的卫生日益重视。一般杀虫剂能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素，因此各种环保型的抗菌功能材料应运而生，并获得了迅速的发展。利用纳米二氧化钛光催化产生的光生电子与光生空穴与催化剂表面吸附的O2或OH形成具有强氧化性的超氧离子或活性羟基，与细菌细胞或细菌内组分进行生化反应，彻底杀死细菌，同时还能降解由细菌释放出的有毒复合物，防止内毒素引起二次污染。

美国德克萨斯大学研究人员将大肠杆菌和纳米二氧化钛混合液在大于380nm的光线照射下，发现大肠杆菌以一级反应动力方程被迅速杀死。

添加约1%纳米二氧化钛的抗菌塑料，可广泛应用于食品包装、电器、家具、餐具、公共设施等，以防止病菌的繁殖和交叉感染。

将单独的纳米二氧化钛粉体作为食品抗菌保鲜剂，可以有效地对引起食品变质的多种细菌起到杀灭和抑制繁殖的作用。做成由多孔二氧化硅（VK-SP30）所包腹的复合纳米二氧化钛/二氧化硅粒子，由于多孔二氧化硅（VK-SP30）对纳米二氧化钛粒子的缓释作用，可以大大延长食品的保鲜时间。

2、纳米二氧化钛（JR05）光催化空气净化

随着室内建筑装饰材料、家用化学物质的使用，室内空气污染越来越受到人们的重视。目前已从室内空气中鉴定出几百种有机物质，对室内主要污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明，污染物的光降解与其浓度有关。质量数为1X10-4以下的甲醛可完全被二氧化钛（JR05）光催化分解为水（H2O）和二氧化碳（CO2），而在较高浓度时则被氧化成甲酸。高浓度甲苯光催化降解时，由于生成的难分解的中间产物富集在二氧化钛周围，阻碍了光催化反应的进行，去除效率非常低，但低浓度时甲苯很容易被氧化为水（H2O）和二氧化碳（CO2）。

对空气中有机污染物的去除可采用在居室、办公室的窗玻璃、墙面、地毯、沙发和橱柜等污染源表面涂覆二氧化钛（JR05）薄膜或在房间内安放二氧化钛光催化设备均可有效降解这些有机物，从而达到净化室内空气的目的。

二氧化钛也可用于石油、化工等行业的工业废气的光催化降解。汽车摩托车尾气及工业废气等都会向空气中排放NOX、H2S、SO2等有害气体，空气中这些气体成分浓度超标会严重影响人体健康，利用二氧化钛的高活性和空气中的氧气可直接实现这些物质的光催化氧化。

3、纳米二氧化钛（JR05）光催化除臭

空气中的恶臭气体主要含有硫化物（如H2S、SO2、硫醇、硫醚等）、含氮化合物（如胺类、酰胺等）、卤素及其衍生物（如Cl2、卤代烃等）。今年来采用二氧化钛光催化剂和其他吸附剂组成的混合物除臭已经得到实际应用。气体吸附剂吸附的这些臭气经扩散与二氧化钛接触，二氧化钛将气体氧化分解后既不降低吸附剂的吸附活性，又解决二氧化钛对臭气吸附性较差的缺点，大大提高了臭气的光解效率。

目前日本三菱制纸公司利用二氧化钛和无机粘结剂复合开发的光催化薄板，对乙醛、甲硫醇、醚、硫化氢、氨、三甲胺等臭气的良好去除性能，已经得到证实。

4、纳米二氧化钛（JR05）光催化污水处理

日常生活废水中含有大量的表面活性剂，这种废水不但容易产生异味和泡沫，而且还会影响废水的生化。表面活性剂不但很难降解，又是还会产生有毒或不溶解的中间体。研究证明，采用纳米二氧化钛（JR05）催化剂分解表面活性剂可以取得显著效果。

印染废水通常含有芳香基、胺基、偶氮基等致癌物质,采用一般生物化学法降解率通常很低。大量研究发现,用纳米二氧化钛（JR05）光催化降解染料,不仅能有效破坏染料中的发色基,而且可以破坏染料分子中的芳香基,达到完全降解的目的。用纳米二氧化钛（JR05）为催化剂降解次甲基蓝染料，研究结果表明，在光照30分钟，二氧化钛用量5.4mg/mL时，降解率达94.7%。

从垃圾堆场流出来的渗滤液可以渗透到地下,对地下水造成严重的污染,所以对垃圾堆放场渗滤液的污染处理是环境处理的一个重要方面。将纳米TiO2用于垃圾填埋物渗滤液的深度处理,其处理的水质达到国家一级排放标准。这说明用纳米TiO2处理垃圾填埋物渗滤液是十分有效的。

5、纳米二氧化钛（JR05）光催化防污自洁

通常情况下，纳米二氧化钛涂膜表面与水有较大的接触角，但经紫外光照射后，一水的接触角减小到5°以下，深圳可达到0°，即水滴完全浸润在二氧化钛表面，显示非常强的亲水性。当水灾二氧化钛薄膜表面的接触角小于15°时具有高的水流动性，小于10°时有自清洁效果，小于7°时有防霉效果。同样，油性液体如乙二醇、十六烷、三油酸甘油酯等经紫外光照射后，也会完全浸润在二氧化钛涂膜表面。即纳米二氧化钛（JR05）表面具有水油两亲合性，属“超双亲性界面材料”，采用这种材料处玻璃、瓷砖、农用薄膜，具有防污自洁的效果。

镀有纳米二氧化钛（JR05）薄膜的表面具有高度的自清洁效应，一旦这些表面被油污等污染，因其表面具有超亲水性，污物不易在其表面附着，而附着的污物也会因光催化而分解。阳光中的紫外线足以维持纳米二氧化钛薄膜表面的亲水特性，从而使其表面具有长期的防污自清洁效应。将其应用于玻璃、陶瓷等见此，以及高层箭镞的外墙及顶棚，利用太阳光、荧光灯中含有的紫外光作激发源，可以分解油、尘埃和沙粒，分解后的污垢物经雨水冲刷可除掉，这样不仅有利于美化环境，也可减少因清扫带来的不便和不安全因素。

三、 前景展望

二氧化钛以其无可比拟的光催化性能，引起了国内外材料、环境、化学、物理等学科科学家的广泛关注，二氧化钛光催化剂的可见光化研究，将为人类充分利用太阳能，改善人类生活环境迈出重要的一步。经过科学家的共同努力，二氧化钛可见光化研究虽然已经取得了一定的进展，对二氧化钛的各种改性方法或多或少都提高了太阳能的利用率。但从目前的研凝究成果看，可见光催化或能量转换效率还普遍偏低，实现完因此可见光二氧化钛光催化剂的研制仍将是今后的研究热点。我国钛资源储量众多，居世界之首，如果能够利用丰富的钛资源，生产出可见光催化剂，不仅对我国的经济发展有促进作用，而且可以改善我们的生存环境。