納米二氧化鈦的光催化性及其應(yīng)用研究進(jìn)展

刁潤麗

關(guān)鍵詞：納米二氧化鈦;光催化性;應(yīng)用;進(jìn)展

1前言

納米材料是一類超細(xì)材料，粒徑在0.1nm—100nm結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等一些特殊性能[1，2]。納米二氧化鈦是目前使用的最為廣泛的新型無機(jī)納米材料之一，又被稱為納米鈦白粉。納米二氧化鈦價(jià)格低廉，資源豐富[3]。納米二氧化鈦有很多優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)及光電等性能，如光催化性、屏蔽紫外線功能及顏色效應(yīng)等，高的熱導(dǎo)性、磁性，良好的透明性，優(yōu)異的抗菌性，是新型光催化無極功能材料，且納米二氧化鈦在使用期間不會有自身損耗情況出現(xiàn)，因此應(yīng)用非常廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域還會進(jìn)一步拓展。

2納米二氧化鈦的光催化機(jī)理

TiO2半導(dǎo)體催化劑是建立在光化學(xué)和光物理基礎(chǔ)上的，半導(dǎo)體由空的高能導(dǎo)帶和低能價(jià)帶兩者構(gòu)成，中間區(qū)域是禁帶。照射到表面的光能（A<400nm）等于或大于Ti02帶隙（通常金紅石3.0eV，銳鈦礦3.2eV）的能量時(shí)，瞬間內(nèi)可激發(fā)孤電子到Ti02導(dǎo)帶，電子一空穴對形成。由于光子、吸附物質(zhì)和催化劑三者之間作用形式的不同，致使電荷向不同的方向轉(zhuǎn)移，由此將催化反應(yīng)分為催化光反應(yīng)和敏化光反應(yīng)，催化光反應(yīng)中電荷的轉(zhuǎn)移方向是由吸附物質(zhì)到催化劑，敏化光反應(yīng)中電荷的轉(zhuǎn)移方向與此相反。

3納米二氧化鈦光催化性能的應(yīng)用

3.1空氣凈化

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大氣污染不斷加劇以及家用電器的過度使用，環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。因此，如何凈化空氣、優(yōu)化環(huán)境引起人們的高度重視，而TiO2光催化降解技術(shù)能有效解決這些問題，光催化技術(shù)是在常溫、常壓條件下，利用大氣中的氧氣，將其作為氧化劑，以便使空氣得到凈化的一種常用的空氣凈化方法。此外，我們還應(yīng)遏制住有害氣體的主要來源，通過改善源頭也能有效使空氣質(zhì)量得到改善，而關(guān)于這個(gè)來源主要有兩個(gè)方面：室內(nèi)空氣污染和大氣污染，大氣污染主要是來自工業(yè)處理時(shí)所排放的廢氣、氮氧化物等，而我們可利用納米TiO2進(jìn)行氧化反應(yīng)合成硝酸，從而在降雨的過程中被去除，有效降低污染;室內(nèi)的有害氣體主要來自于室內(nèi)裝潢、生活排污所產(chǎn)生的如甲醛、氨氣等。家居空氣污染也可用納米二氧化鈦的光催化技術(shù)也可以將甲醛等室內(nèi)空氣污染物去除，這種技術(shù)非常安全，而且可以大大減少二次污染?？諝庵械漠愇丁撼魵怏w等也可以采用TiO2光催化技術(shù)去除。

3.2抗菌

面對周圍環(huán)境破壞程度的不斷加劇，抗菌功能材料的需求越來越迫切。因此，納米TiO2光催化已開始用于抗菌方面，可以抑制和殺滅癌細(xì)胞、真菌、藻類、病毒和細(xì)菌等。經(jīng)過科學(xué)家的研究分析顯示，納米二氧化鈦材料能夠借助光催化作用有效消滅微生物的恣意生長，從而降低環(huán)境有害成分的數(shù)量?？咕侵冈谝欢ǖ墓庹諚l件下，二氧化鈦可以抑制甚至殺滅環(huán)境中的微生物。其原理為：二氧化鈦經(jīng)光照激活會產(chǎn)生電子一空穴對，其表面也會吸附一些氧氣分子和氫氧根離子，隨后將其與電子一空穴對相互作用，發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使細(xì)菌蛋白質(zhì)中的糖類聚合和多肽鏈遭到破壞，最終達(dá)到滅菌的效果。

3.3污水處理

納米二氧化鈦具有光催化性，是一種穩(wěn)定性好、氧化能力強(qiáng)、無毒、高效低成本、可回收的催化劑，將其用于水處理方面是非常有潛力的。納米二氧化鈦可以分解、降解普通方法難以降解的高難度有機(jī)物，借助二氧化鈦的光催化性，能夠?qū)⒎栏瘎⒊輨?、洗滌劑、有機(jī)磷、鹵代物、有機(jī)氯、含氮有機(jī)物、燃料、羥酸、烴類和表面活性劑等日常生活有害物質(zhì)朝著無毒CO2、H2O、HCl等小分子產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。因此，在各類廢水處理過程中添加一定量的納米二氧化鈦，都能對水體中各類有害物質(zhì)進(jìn)行有效凈化，推動水體凈化目的的實(shí)現(xiàn)。

3.4塑料

廚房用品、食品包裝袋等塑料制品在我們的日常生活中運(yùn)用十分廣泛，但是這些塑料制品滋生細(xì)菌的可能性非常高，故而必須對此類材料嚴(yán)格落實(shí)抗菌殺毒加工處理。在太陽光中的紫外光照射的條件下，納米二氧化鈦會有光催化反應(yīng)產(chǎn)生，可分解有機(jī)物，起到抗菌殺毒的作用。因此，在塑料制品中添加納米二氧化鈦，可實(shí)現(xiàn)表面自潔、抗菌殺毒的作用?？梢姽饽芡高^納米二氧化鈦，但是紫外光卻被其屏蔽，因此將納米二氧化鈦添加到塑料類食品包裝材料中，塑料可呈現(xiàn)透明色，方便直接觀察食品，同時(shí)又能避免食品變質(zhì)過早。此外，加入納米二氧化鈦也不會導(dǎo)致塑料出現(xiàn)老化、材料變色等。加之納米二氧化鈦無毒，熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性都非常好，因此使用十分安全，屬于理想型的抗菌塑料添加料。

3.5清潔涂層

日常生活中會有這樣一些難處理的情況：建筑材料如陶瓷、玻璃等在經(jīng)過一定時(shí)間的使用后，會有大量污垢沉積在其表面，既影響美觀但又不容易清理。將納米二氧化鈦薄膜涂覆在這些建材的表面，利用納米二氧化鈦的光催化性，很容易的就將污垢去除，使它們分解為二氧化碳和水，利用天然的雨水就能將其沖刷干凈，不需再用清水洗滌，而且可以保持很長一段時(shí)間。如果將納米二氧化鈦薄膜涂在汽車的后視鏡上，就能阻止水蒸氣或雨水凝結(jié)在鏡面上，能使鏡面一直保持光亮、清潔，從而使駕駛的安全性提高。在普通的鏡面上涂覆納米二氧化鈦薄膜，即使放在浴室中，不用擦拭，依然可以看到鏡面光亮、清晰。

4結(jié)語

納米二氧化鈦具有獨(dú)特的光催化性能，使其應(yīng)用范圍非常廣泛，其光催化性在多個(gè)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。隨著研究的日益深入，相信還會有更多方面的發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)出來。