纳米二氧化钛的应用研究进展

刁润丽， 赵世伟

(1.河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467001；2.国家电投集团河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南 平顶山 467312)

引 言

纳米技术是21世纪的三项伟大发明之一，它研究的物质结构尺寸在0.1 nm～100 nm[1-3]。纳米材料是一类超细材料，具有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能。因此，成为多领域关注的热点，纳米技术的进步可以为化学、材料、物理及生物等学科提供新的发展空间[4-5]。

纳米二氧化钛是无机功能材料中的重要一种，亦称为纳米钛白粉[6]。纳米二氧化钛价格低廉，资源丰富。纳米TiO2有很多优异的性能，如光催化性、紫外线屏蔽及颜色效应等，高的热导性、磁性，良好的透明性，优异的抗菌性，是新型光催化无机功能材料，且使用期间不会出现自身损耗，因此应用广泛[7]。随着纳米技术的发展，其应用领域会得到进一步拓展。

1 纳米材料的结构及性质

1.1 化学反应性质

纳米材料的粒径为纳米级，性质非常活泼，有很强的化学反应性。纳米金属材料在空气中能氧化，并燃烧发光。纳米TiN晶粒(45 nm)受热后在空气中就能燃烧得到TiO2晶粒[8]。

1.2 催化性质

纳米材料由于表面活性中心的增多而具有催化活性。纳米催化剂不需外加载体就能加入反应体系。由于粗糙的表面，纳米材料的反应面积比较大。

1.3 光催化性质

纳米材料还具有光催化性，其光催化性和反应速度随着粒径的减小而增强。

纳米材料还具有很多优异的性能，如高比热、高导电率和高磁化率等。随着技术的进步，纳米材料还会有更多优异的性能呈现出来[9]。

2 纳米二氧化钛的应用

2.1 光敏染料太阳能电池(DSSC)

煤、石油和天然气等常规能源一方面污染环境，另一方面可使用量越来越少，因此急需开发新的清洁类能源，太阳能电池是一个很好的途径。目前市场上已有晶硅和非晶硅两种太阳能电池，但最高效率只有19.1%。光敏染料太阳能电池是20世纪90年代开发出来的，由基板、纳米二氧化钛薄膜、电解质、染料(光敏化剂)和TiO2电极组成。其核心部分是TiO2电极，它是电流流经的通道，染料吸附的场所，还能帮助电解质均匀地扩散。纳米TiO2粒径小、比表面积大、疏松多孔、表面粗糙，因此使用它作电极可以组成高效的太阳能电池。DSSC相对于传统的硅太阳能电池有很多优点：成本低、应用范围广、适用于多种光照条件、可在高达70 ℃的温度范围内使用，但是目前仍然有一些问题，如染料敏化剂的成本偏高，液态电解质容易腐蚀及泄露而影响电池寿命等，因此未来仍需在技术上深入研究[10]。

2.2 抗菌剂

面对周围环境破坏程度的不断加剧，研究抗菌功能材料迫在眉睫。经过科学家研究分析显示，纳米二氧化钛材料能够借助光催化作用有效阻止微生物的恣意生长，从而减少环境有害成分的数量。其原理为：二氧化钛经过光照激活，产生电子-空穴对及氧气分子、氢氧根离子，它们之间相互作用，激发自由基从而引起链式反应，破坏细菌的蛋白质，达到灭菌的效果。王爽等根据纳米氧化钛光催化灭菌的机制，用处理过的Fe2+作物探剂，研究植物蜡样芽胞杆菌对纳米二氧化钛的反应。结果显示，甲醇既能清除纳米颗粒表面的羟基自由基又能清除游离的羟基自由基，叔丁醇不能清除前者，只能清除后者[11]。纳米二氧化钛既具有良好的分散性又能抗菌，在食品包装薄膜中使用纳米TiO2，可延长食品的保质期[12]。

2.3 化妆品

太阳光中的紫外线波长短，蕴含着很强的能量，因而破坏力巨大，人体长时间接受紫外线照射，会使皮肤受到伤害，轻者晒伤皮肤，重者产生炎症乃至皮肤癌。纳米二氧化钛除了能透过可见光，还对紫外线有反射、散射和吸收作用。实验已经证明，纳米二氧化钛对紫外线有阻隔作用，在中波区以吸收为主，在长波区以散射为主。对纳米二氧化钛来说，粒径为10 nm～60 nm屏蔽紫外线的效果最佳，因此添加到化妆品中的纳米二氧化钛要求粒径就处在这个范围，另外，纳米二氧化钛的分散性、透明性等性能对屏蔽紫外线也有一些影响。纳米二氧化钛没有毒性、性质稳定，不会对皮肤造成刺激，添加到化妆品中防晒效果良好[13]。纳米二氧化钛的优良特性，使其在化妆品行业中广泛应用，很受青睐，潜力巨大。

2.4 光催化降解污染物

20世纪70年代开发了二氧化钛的光催化技术，在解决环境问题方面效果显著，纳米TiO2是当前最具开发潜力的绿色环保型催化剂。随着经济的发展，污染严重、水资源短缺，水污染更加速了水资源的短缺，水污染已成我国南方城市缺水的一个重要原因。目前，在废水净化处理方面，高效、快速、无毒、无二次污染的TiO2基光催化方法应用很多，且越来越受到重视。这种方法可降解几乎各种废水，如，农药废水，染料废水，含氟里昂、表面活性剂、含重金属废水，含油废水等，且反应速度快，能耗低，不会带来二次污染。近年来，空气污染方面，挥发性有机物的影响也日益严重，用TiO2光催化降解法效果显著。它可以在比较温和的条件下将挥发性有机物降解为水、二氧化碳等小分子，效率高、成本低，且TiO2可长时间使用。用二氧化钛作光催化剂时，还可以轻易地将极难分解的有机物降解；还能作为添加剂有效防止紫外线对皮肤的照射。

2.5 涂料

纳米二氧化钛具有屏蔽紫外线、杀菌、清除有害气体等性能，将其添加到涂料中，涂膜的附着力、耐候性、耐光性增强，机械强度、抗腐蚀性能大幅度提高，耐酸、防水等性能也得到明显改善。将铝粉等片状颜料与纳米二氧化钛混合，会使涂层呈现各种绚丽多彩的颜色，这是目前开发出来的纳米二氧化钛的新用途之一，多用在豪华轿车的闪光面漆中。在有些内墙涂饰中，细菌容易繁殖且密度较大，添加纳米二氧化钛制造杀菌、除污的抗菌防污型涂料就可以解决这一问题。利用纳米二氧化钛的半导体性质，添加到树脂中可使涂层具有屏蔽静电的作用，可使用到家用电器方面。添加纳米二氧化钛还能制造出隐身涂料，在军舰、隐形飞机等国防工业中发挥作用[14-15]。

3 结语

纳米二氧化钛是一种非常重要的无机纳米材料，其应用前景良好，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展现出来。