二氧化鈦的光催化效應

羅錦潔

(重慶三峽學院機械學院，重慶 400000)

二氧化鈦作為一種非常常用的工業(yè)原料，廣泛的應用于各行各業(yè)，包括涂料、電子產(chǎn)品、新型材料等，隨著科技的進步及工藝的發(fā)展，納米級二氧化鈦出現(xiàn)并興起，新型的二氧化鈦其應用更加廣泛、性能也更為優(yōu)異，涉及化妝品、機電工業(yè)、催化劑等，例如納米級二氧化鈦可加入護膚品防曬霜中起到防紫外線保護皮膚的作用，將二氧化鈦納米粉體加入到陶瓷、人造纖維中等可以直接使材料具有抗菌殺菌作用，現(xiàn)在人們又利用二氧化鈦的光催化性來對有機污水進行分解處理，此外納米二氧化鈦還在傳感器、涂料、鋰電池等領(lǐng)域均有涉足。

環(huán)境污染問題一直是個非常棘手的世界性難題，受到大家的關(guān)注，現(xiàn)在世界每分鐘都會有無數(shù)的垃圾及廢棄物、有毒有害的物質(zhì)產(chǎn)生，目前對這些垃圾的處理方法普遍是填埋、焚燒等，但是這些方法并沒有有效的分解垃圾中的有毒物質(zhì)，未經(jīng)任何處理被填埋在地下的垃圾，其中的有毒物質(zhì)滲透到土壤中，污染了土地，甚至污染了地下水源，而被焚燒的垃圾也會釋放大量有毒的氣體污染空氣，科學家們想出了許多方法來解決處理垃圾，這些處理手段包括一些物理、生化的方法，可是效果都不是十分理想，不但成本高、降解成功率低，而且時間很長。

兩位來自日本東京大學的教授Fujishima 和Honda 于1972年發(fā)現(xiàn)二氧化鈦的一個新的特點，其在光的作用下不僅可分解水還可以分解其他物質(zhì)，自此納米二氧化鈦成為新一代極具潛力并受人關(guān)注的光催化材料。納米二氧化鈦作為光催化劑在紫外線的作用下可以直接分解一些有機污染物，同時不會產(chǎn)生毒副產(chǎn)物，所以它一經(jīng)發(fā)現(xiàn)可分解污染物后就受到人們的密切關(guān)注，更有人稱它為“潔凈革命”，二氧化鈦之所以被選擇為目前非常重要的光催化劑，主要是由于它的綜合優(yōu)勢，成本低原材料豐富、化學性能穩(wěn)定、無毒副作用、可耐酸堿及光腐蝕，現(xiàn)在二氧化鈦在對有機類垃圾的處理上占有很大優(yōu)勢，一些難以被降解的有機物都可以通過它來得到降解，如氯仿、多氯聯(lián)苯、有機磷化合物等都可可用這種方法去除。空氣中的污染物對人體的傷害是很大的，可是又沒有有效的降解手段，研究人員發(fā)現(xiàn)，納米級二氧化鈦同樣可以在光的作用下降解空氣中的污染物，比如常見的甲醛、丙酮、乙烯等有機氣體效果都不錯。現(xiàn)在二氧化鈦納米光催化劑也可對汽車及空調(diào)進行凈化。

日本的Matsunaga 于1985年首先發(fā)現(xiàn)了TiO2 在紫外光照射下有殺菌作用，自此之后納米二氧化鈦一直活躍于抗菌材料的研究應用，與此同時科學家們還廣泛研究了二氧化鈦對細菌、病毒、真菌、藻類和癌細胞等光催化殺菌的作用。

隨著科技的進步及人們生活質(zhì)量的提升，越來越多的人開始關(guān)注和重視生活、工作的的衛(wèi)生狀況，因此各類抗菌產(chǎn)品日益涌現(xiàn)，更多的抗菌材料被研發(fā)，經(jīng)過不斷的探索與比較，最終人們發(fā)現(xiàn)納米二氧化鈦作為抗菌劑具有許多優(yōu)勢，譬如安全無毒副作用，抗菌持續(xù)時間長，耐熱耐腐蝕，所以納米二氧化鈦得到了更為廣泛的開發(fā)與應用。

陶瓷:日本東陶(TOTO)公司將一些用于醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等地方的瓷磚上涂覆納米二氧化鈦膜，從而達到抗菌抑菌的作用，中國建筑材料科學研究院高技術(shù)陶瓷研究所開發(fā)出的光催化陶瓷制品，經(jīng)數(shù)次實驗驗證及檢測，在紫外光的照射下兩小時內(nèi)有效殺菌率在80%左右，無光的環(huán)境下殺菌率在60%左右，當持續(xù)時間超過24h 有效的殺菌率可達到95%。

塑料:在我們生活中有許多的塑料制品，例如塑料包裝袋、廚具、電器外殼等，容易清潔不到位產(chǎn)生細菌，有研究者將納米二氧化鈦和塑料樹脂按照一定比例混合，最終制備出具有抗菌性能的塑料，有數(shù)據(jù)顯示，納米二氧化鈦抗菌塑料具有廣譜抗菌性、無生理毒副作用，對普通常見細菌的細菌率高達97%以上。

涂料:將納米二氧化鈦與乳膠漆按一定比例及工藝混合制備成具有抗菌性的新型涂料，同時這種新型涂料在抗菌時不受光源影響，無論是在自然光下、還是日光燈下均可持續(xù)殺菌，有數(shù)據(jù)顯示其殺菌有效率達90%以上。

玻璃:同樣可以將納米二氧化鈦使用在玻璃上，前述應用我們已經(jīng)了解到納米二氧化鈦具有光催化抗菌作用，同時它還具有親水性，將納米二氧化鈦制備在玻璃上，使玻璃達到自我清潔及抗菌抑菌的效果，目前海外一些知名公司已經(jīng)在市場上出售這種功能性玻璃。

不銹鋼:不銹鋼制品在醫(yī)療系統(tǒng)行業(yè)、食品衛(wèi)生業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域用量極大，而這些領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品有殺菌抑菌的需求，將納米二氧化鈦制備與不銹鋼產(chǎn)品上一定具有非常大的發(fā)展前景。

除開上述這些領(lǐng)域，納米二氧化鈦在其它領(lǐng)域如化妝品、紡織業(yè)等也具有無限的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

納米二氧化鈦具有廣闊的發(fā)展領(lǐng)域，那么現(xiàn)在讓我們一起來探討其光催化的殺菌機理，其首要條件是要有紫外光，在光照下二氧化鈦可以形成電子-空穴對，主要表現(xiàn)為會產(chǎn)生具有強還原性的氧離子自由基及強氧化性的羥基自由基，而這些基團可以進入細菌體內(nèi)破壞細菌的細胞質(zhì)，細菌無法復制衍生，最終達到抑菌的作用，而具有強氧化性的羥基可以使細菌毒素得到降解，研究人員發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦的粒徑與抗菌效果成正比，即使光照結(jié)束仍然具有一定時間的抗菌作用。

文獻:

［1］Zhou JK，Lü L，Yu J，et al.Synthesis ofSelf-Organized Polycrystalline F-doped TiO2 Hollow Microspheres and TheirPhotocatalytic Activity under Visible Light.J.Phys.Chem.C，2008，112:5316-5321.

［2］Paulose M，Varghese OK，Mor GK，et al.UnprecedentedUltra-high Hydrogen Gas Sensitivity in Undoped Titania Nanotubes.Nanotechnology，2006，17:398.

［3］Fujishima A，Honda K.Electrochemical Photolysis of Water at a SemiconductorElectrode，Nature，1972，238:37-39.

［4］Matsunaga T，Tomoda R，Nakajima T.Photoelectrchenical Sterilization of Microbial Cellsby Semiconductor Powers.FEMS Microbiology Letters，1985，29:211-214.

［5］沈君權(quán).TiO2 光催化劑及其應用.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，1998，19 (1):32-38.