納米二氧化鈦的應用研究進展

刁潤麗， 趙世偉

(1.河南質量工程職業學院，河南 平頂山 467001；2.國家電投集團河南電力有限公司平頂山發電分公司，河南 平頂山 467312)

引 言

納米技術是21世紀的三項偉大發明之一，它研究的物質結構尺寸在0.1 nm～100 nm[1-3]。納米材料是一類超細材料，具有小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等一些特殊性能。因此，成為多領域關注的熱點，納米技術的進步可以為化學、材料、物理及生物等學科提供新的發展空間[4-5]。

納米二氧化鈦是無機功能材料中的重要一種，亦稱為納米鈦白粉[6]。納米二氧化鈦價格低廉，資源豐富。納米TiO2有很多優異的性能，如光催化性、紫外線屏蔽及顏色效應等，高的熱導性、磁性，良好的透明性，優異的抗菌性，是新型光催化無機功能材料，且使用期間不會出現自身損耗，因此應用廣泛[7]。隨著納米技術的發展，其應用領域會得到進一步拓展。

1 納米材料的結構及性質

1.1 化學反應性質

納米材料的粒徑為納米級，性質非常活潑，有很強的化學反應性。納米金屬材料在空氣中能氧化，并燃燒發光。納米TiN晶粒(45 nm)受熱后在空氣中就能燃燒得到TiO2晶粒[8]。

1.2 催化性質

納米材料由于表面活性中心的增多而具有催化活性。納米催化劑不需外加載體就能加入反應體系。由于粗糙的表面，納米材料的反應面積比較大。

1.3 光催化性質

納米材料還具有光催化性，其光催化性和反應速度隨著粒徑的減小而增強。

納米材料還具有很多優異的性能，如高比熱、高導電率和高磁化率等。隨著技術的進步，納米材料還會有更多優異的性能呈現出來[9]。

2 納米二氧化鈦的應用

2.1 光敏染料太陽能電池(DSSC)

煤、石油和天然氣等常規能源一方面污染環境，另一方面可使用量越來越少，因此急需開發新的清潔類能源，太陽能電池是一個很好的途徑。目前市場上已有晶硅和非晶硅兩種太陽能電池，但最高效率只有19.1%。光敏染料太陽能電池是20世紀90年代開發出來的，由基板、納米二氧化鈦薄膜、電解質、染料(光敏化劑)和TiO2電極組成。其核心部分是TiO2電極，它是電流流經的通道，染料吸附的場所，還能幫助電解質均勻地擴散。納米TiO2粒徑小、比表面積大、疏松多孔、表面粗糙，因此使用它作電極可以組成高效的太陽能電池。DSSC相對于傳統的硅太陽能電池有很多優點：成本低、應用范圍廣、適用于多種光照條件、可在高達70 ℃的溫度范圍內使用，但是目前仍然有一些問題，如染料敏化劑的成本偏高，液態電解質容易腐蝕及泄露而影響電池壽命等，因此未來仍需在技術上深入研究[10]。

2.2 抗菌劑

面對周圍環境破壞程度的不斷加劇，研究抗菌功能材料迫在眉睫。經過科學家研究分析顯示，納米二氧化鈦材料能夠借助光催化作用有效阻止微生物的恣意生長，從而減少環境有害成分的數量。其原理為：二氧化鈦經過光照激活，產生電子-空穴對及氧氣分子、氫氧根離子，它們之間相互作用，激發自由基從而引起鏈式反應，破壞細菌的蛋白質，達到滅菌的效果。王爽等根據納米氧化鈦光催化滅菌的機制，用處理過的Fe2+作物探劑，研究植物蠟樣芽胞桿菌對納米二氧化鈦的反應。結果顯示，甲醇既能清除納米顆粒表面的羥基自由基又能清除游離的羥基自由基，叔丁醇不能清除前者，只能清除后者[11]。納米二氧化鈦既具有良好的分散性又能抗菌，在食品包裝薄膜中使用納米TiO2，可延長食品的保質期[12]。

2.3 化妝品

太陽光中的紫外線波長短，蘊含著很強的能量，因而破壞力巨大，人體長時間接受紫外線照射，會使皮膚受到傷害，輕者曬傷皮膚，重者產生炎癥乃至皮膚癌。納米二氧化鈦除了能透過可見光，還對紫外線有反射、散射和吸收作用。實驗已經證明，納米二氧化鈦對紫外線有阻隔作用，在中波區以吸收為主，在長波區以散射為主。對納米二氧化鈦來說，粒徑為10 nm～60 nm屏蔽紫外線的效果最佳，因此添加到化妝品中的納米二氧化鈦要求粒徑就處在這個范圍，另外，納米二氧化鈦的分散性、透明性等性能對屏蔽紫外線也有一些影響。納米二氧化鈦沒有毒性、性質穩定，不會對皮膚造成刺激，添加到化妝品中防曬效果良好[13]。納米二氧化鈦的優良特性，使其在化妝品行業中廣泛應用，很受青睞，潛力巨大。

2.4 光催化降解污染物

20世紀70年代開發了二氧化鈦的光催化技術，在解決環境問題方面效果顯著，納米TiO2是當前最具開發潛力的綠色環保型催化劑。隨著經濟的發展，污染嚴重、水資源短缺，水污染更加速了水資源的短缺，水污染已成我國南方城市缺水的一個重要原因。目前，在廢水凈化處理方面，高效、快速、無毒、無二次污染的TiO2基光催化方法應用很多，且越來越受到重視。這種方法可降解幾乎各種廢水，如，農藥廢水，染料廢水，含氟里昂、表面活性劑、含重金屬廢水，含油廢水等，且反應速度快，能耗低，不會帶來二次污染。近年來，空氣污染方面，揮發性有機物的影響也日益嚴重，用TiO2光催化降解法效果顯著。它可以在比較溫和的條件下將揮發性有機物降解為水、二氧化碳等小分子，效率高、成本低，且TiO2可長時間使用。用二氧化鈦作光催化劑時，還可以輕易地將極難分解的有機物降解；還能作為添加劑有效防止紫外線對皮膚的照射。

2.5 涂料

納米二氧化鈦具有屏蔽紫外線、殺菌、清除有害氣體等性能，將其添加到涂料中，涂膜的附著力、耐候性、耐光性增強，機械強度、抗腐蝕性能大幅度提高，耐酸、防水等性能也得到明顯改善。將鋁粉等片狀顏料與納米二氧化鈦混合，會使涂層呈現各種絢麗多彩的顏色，這是目前開發出來的納米二氧化鈦的新用途之一，多用在豪華轎車的閃光面漆中。在有些內墻涂飾中，細菌容易繁殖且密度較大，添加納米二氧化鈦制造殺菌、除污的抗菌防污型涂料就可以解決這一問題。利用納米二氧化鈦的半導體性質，添加到樹脂中可使涂層具有屏蔽靜電的作用，可使用到家用電器方面。添加納米二氧化鈦還能制造出隱身涂料，在軍艦、隱形飛機等國防工業中發揮作用[14-15]。

3 結語

納米二氧化鈦是一種非常重要的無機納米材料，其應用前景良好，在多個領域引起了廣泛的關注。隨著研究的日益深入，相信還會有更多方面的發展和應用展現出來。