納米TiO2光催化涂料的研究進展

林杰賜，陳炳耀，陳明毅

(1.廣東順德三和化工有限公司，廣東 佛山 528325；2.廣東三和化工科技有限公司，廣東 中山 528429)

當今社會經濟的快速發展，科學技術的不斷進步，人們在享受人類文明的同時，也無時不刻受到經濟科技發展造成的環境污染，特別是空氣污染和水質污染的危害。隨著人們環保理念的提高，以及對綠色健康生活的追求，具有凈化空氣和水質功能的產品越來越受到人們的歡迎。納米TiO2具有很強的光催化能力，在紫外線的照射下能催化降解甲醛、甲苯等有機污染物和殺菌抗菌的作用，而且具有無毒、耐酸堿、耐腐蝕、能耗低、可循環使用等優點受到人們的關。越來越多人將納米TiO2添加在涂料中，并運用到室內裝修、蓄水池等地方，起到凈化空氣和水質的作用，有效的改善人們生活環境。

1 納米TiO2概述

二氧化鈦主要有金紅石型、銳鈦礦型兩種類型的晶型結構，其中金紅石型TiO2每個晶胞含有兩個TiO2分子，銳鈦型TiO2每個晶胞含有4個TiO2分子，且金紅石型比銳鈦型結構更致密，更穩定，但由于金紅石型TiO2晶胞密度較大，光化學活性小，載流子遷移率較低，并且外表不易產生缺陷，比表面積小，對O2的吸附能力差，光生電子遷移速率沒有銳鈦礦高，電子空穴對也極易復合，所以其光催化活性遠不如銳鈦型TiO2[1]。

TiO2是一種具有能帶結構的寬禁帶半導體，由被電子填滿的低能價帶和空的高能導帶構成，價帶和導帶之間存在禁帶。TiO2的光催化反應的能力由能帶位置與被吸附物質的還原電勢決定。當受體電勢比TiO2導帶電勢低，而給體電勢比TiO2價帶電勢高時，吸附在TiO2表面的物質就會發生氧化還原反應[2]。

2 納米TiO2的光催化機理

納米TiO2具有較高的紫外吸收率，能吸收自然光中波長小于387 nm的紫外光，產生電子-空穴對，而且其存在較大的禁帶寬度，氧化還原能力較強，催化選擇性非常好，對多種有機污染物(如苯、甲苯、甲醛等)均能起到降解的作用。

當納米TiO2表面受到紫外線的照射時，波長小于387 nm的紫外線就會被吸收，價帶上的電子吸收光子能后便被激發移至導帶上，形成光生電子，失去電子的價帶上便形成了光生空穴。O2極易捕獲納米TiO2晶體表面上的光生電子，生成O2-，因O2-極不穩定，容易質子化形成氧化能力極強的羥基自由基·OH，促使有機物氧化降解；而光生空穴則會吸附并氧化降解表面上的有機物，或是先與表面上的H2O和OH-反應生成·OH自由基，進而氧化表面的有機物，將其降解為無毒的CO2和H2O[3]。

3 納米TiO2光催化涂料

納米TiO2因其較強的光催化能力受到很多涂料研發工作者的關注，不少企業也相繼開發和推出用于凈化空氣或水質的光催化納米TiO2涂料，受到眾多消費者的青睞。

文立新[4]等人以納米TiO2為主要功能填料，與丙烯酸乳液制成一款具有空氣凈化能力的水性功能涂料，發現其在5 h的甲醛總去除率可達到83.2%，凈化空氣的效果較為明顯。而劉秀娟[5]等人則用硅藻土和納米TiO2、活性氧化鋁制備出具有物理吸附和光催化降解有機污染物的功能涂料，其5 h的甲醛去除率可高達94.08%，這應該是得益于硅藻土及活性氧化鋁對有機小分子有較強的吸附能力，在前期涂層對有機污染物主要起到物理吸附的作用，快速高效的將空氣中的有機污染物吸附到材料上，然后在光照的情況下，納米TiO2在紫外線的作用下催化降解吸附在表面的有機污染物，使得凈化效果更為明顯。

但由于單純的納米TiO2穩定性較差，在復雜體系中容易失去光催化活性，從而喪失降解有機污染物和分解細菌的能力，因此程俊[6]等人利用水熱法將納米TiO2成功負載到氧化石墨烯制成納米TiO2/氧化石墨烯復合材料，并添加到水性聚氨酯涂料中，改善了納米TiO2在體系中失活的情況，并有效的提高了涂層的抗菌能力。結果表明，添加了TiO2/氧化石墨烯復合材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均達到99.9%，耐久抗菌性則分別達到99.8%和98.9%，而在紫外線作用下12 h后對甲基橙的光催化降解率達到了88.5%，可有效降解水中的有機污染物和細菌，起到改善水質的作用。

楊志恒[7]在其研究中對TiO2用β環糊精(β-CD)進行改性處理，將β-CD成功的負載到納米TiO2，并制備出納米TiO2/CDP復合材料并制成一種具有高吸附性和光催化活性特種涂料。在甲醛加入量分別為5、15、25 μL的情況下模擬不同甲醛初始濃度涂層的催化降解能力，發現在甲醛加入量為5 μL時，其催化降解率達到90%以上，而在甲醛加入量為15 μL和25 μL時，其催化降解率分別達到85%以上和80%以上，體現出比純納米TiO2更優異的催化效果。這是由于β-CD具有良好的吸附性能，將外部的甲醛分子吸附到涂層表面，再由表面的納米TiO2進行光催化降解，起到吸附-催化協同作用凈化空氣的效果。

4 結語

納米TiO2在光催化材料中的不俗表現，使其擁有廣闊的應用前景，但是其只有在紫外光的作用下才能發揮出較好的光催化能力，在一定的程度上限制了其運用。還有銳鈦型納米TiO2的結構較金紅石型納米TiO2不穩定，金紅石型納米TiO2的光催化活性又低于銳鈦型納米TiO2，因此解決其光催化活性和長久催化能力也成為亟待解決的問題。目前已有許多對納米TiO2性能的研究，并在提高催化活性和增強其對可見光的吸收能力取得一定的成果[8-10]，相信在不遠的將來，光催化技術會更加成熟。