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1、纳米TiO2的制备及性能研究进展,材料化学 何思颖,纳米TiO2的基本知识,二氧化钛具有稳定性好、无毒、超亲水特性、光催化效率高和不产生二次污染等特点，有着广阔的应用前景。 纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，屏蔽紫外线作用强，有良好的分散性和耐候性。,纳米二氧化钛主要有两种结晶形态：锐钛型和金红石型。 在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型。,纳米TiO2的基本知识,20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO
2、2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。,纳米TiO2的研究现状,在国外普遍开展了纳米TiO2的制备和应用技术开发，并取得了阶段性成果。我国纳米TiO2的研究在“九五期间形成了高潮 。目前，国内涉及纳米TiO2生产的公司约有十家，总生产能力在1000多吨。,纳米TiO2的研究现状,纳米TiO2的研究意义,纳米TiO2自20世纪80年代后期问世以来，由于粒子的细小、比表面积的扩大而产生了较常规材料所不具备的特殊效应，以及其所具有的光催化作用及紫外屏蔽等功能。 对我国来说，纳米TiO2技术的开发与应用的不断创新，不仅能创造良好的经济效益，提高我国环保、塑料、汽车、精细化工等
3、工业的技术水平，而且还能带动其它新型纳米材料产业的兴起，促进我国高新技术产业的发展。,纳米TiO2有白色和透明状的两种颗粒，常见的TiO2粉体有金红石、锐钛矿、板钛矿等3 种晶型。其中金红石和锐钛矿是四方晶系，板钛矿是正交晶系。 纳米TiO2化学性能稳定。 纳米TiO2的一个显著特点是它具有半导体性质。,纳米TiO2的性能 -物理化学性能,纳米TiO2的性能 -光催化性能,原理：TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿），当它受到波长较小的光（紫外光）照射时，价带的电子就会获得光子的能量而跃迁至导带，形成光生电子；而价带中则相应地形成光生空穴。 吸附在TiO2表面的氧俘
4、获电子形成原子氧，而空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成羟基自由基。,纳米TiO2的制备方法,通常纳米钛白的制备方法分为两类: 气相法和液相法。 气相法包括气相氧化法和气相水解法。 气相氧化法是将高纯度的四氯化钛高温下氧化，生成非常光亮的纳米二氧化钛；气相水解法是将高纯度的四氯化钛在氢焰中进行高温水解而制得纳米二氧化钛。,-气相法,SHI Xiaoliang,Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. Aug. 2011,600-605,液相法主要包括均匀沉淀法、萃取法、溶胶凝胶法、溶剂热法等。 均匀沉淀法以硫
5、酸法制备TiO2工艺的中间产物钛液为原料制备出纳米金红石型二氧化钛粒子；萃取法也以钛液为原料，采用萃取法将TiO2转为有机物溶胶，再将此溶胶蒸馏制成纳米钛白粉体；溶胶凝胶法一般以钛醇盐及无水乙醇为原料，加入少量水及不同的酸或有机聚合添加剂，经搅拌、陈化制成稳定的涂膜溶胶，再利用溶胶将TiO2附着在各种载体上。,纳米TiO2的制备方法,-液相法,Shengwei Liu,Chemistry of Materials,2011, 23, 40854093,纳米TiO2 光催化氧化的应用,（一）降解废水中的污染物 1. 光催化降解污染物 二氧化钛光催化技术起源于20世纪70年代，科学家们将TiO2光
6、催化应用于剧毒多氯联苯的降解研究，开始了TiO2光催化应用于污染治理的研究。TiO2已成为最有开发前景的绿色环保型催化剂，美国将TiO2光催化技术视为解决环境问题的首选技术。 （一）污水处理 （二）气相光催化氧化降解挥发性有机污染物,Seul-Yi Lee,Journal of Industrial and Engineering Chemistry,19(2013).1761-1769,（三） 降解有机农药废水。利用纳米TiO2 光催化去除农药虽然不能使所有的污染物完全矿化，但是不会产生毒性更高的中间产物，这是其它方法无法相比的。 （四）降解水中重金属离子污染物。利用纳米TiO2 光催化降解
7、还能解决汞、铬、铅等金属离子的污染问题。利用光催化，Hg2+ 从含氧溶液中被电子还原成Hg 沉积在TiO2 表面，此法同样还适用于铅。,纳米TiO2 光催化氧化的应用,紫外线屏蔽剂 TiO2对紫外线具有十分优异的屏蔽作用。纳米TiO2无毒、无刺激、耐水、无异味、稳定性好，作为紫外线屏蔽剂主要应用于防晒化妆品、涂料、塑料、化纤、橡胶等方面。,纳米TiO2光催化氧化的应用,抗菌剂 TiO2在光照下对环境中微生物有抑制或杀灭作用。利用纳米TiO2的光催化性可充分抑制或杀灭环境中的有害微生物，使环境微生物对人的危害降低。 与常规杀菌剂不同的是，TiO2光催化不仅能够杀灭细菌，而且同时降解细菌释放出的有
8、毒物质，避免了细菌被杀死后释放内毒素造成的二次污染。研究表明纳米TiO2光生空穴还能有效的灭活癌细胞，有望成为一种新型治疗癌症的医疗技术。,纳米TiO2光催化氧化的应用,防污自清洁材料【4】-【5】 TiO2因其具有自洁净等多种功能，在实际生产中可制成自清洁玻璃或外墙砖、建筑物玻璃窗、交通工具的挡风玻璃及后视镜、浴室镜子、眼镜镜片、测量仪器的玻璃罩等物品。,纳米TiO2光催化氧化的应用,【4】RongMinWang, Polymers for Advanced Technologies. 2010,21(5)：331-336【5】Qingchi Xu，Diana VWellia，et alTr
9、ansparent visible light activated CNFcodoped TiO2 films for selfcleaning applicationsJJournal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2010，210：181187,纳米TiO2的应用,可作为锂电池、太阳能电池原料 纳米二氧化钛添加到锂电池里，可提高锂电池容量及循环稳定性，特别是循环时放电电压平台的稳定性，可有效提高电池在多次充放电过程中的电化学稳定性和热稳定性，电池在使用过程中更稳定、更耐用。,Transitional Page,在光催化、光电转
10、换及太阳能制氢领域中，人们普遍认为TiO2是一种比较理想的太阳能转换材料。因为它不仅具有优越的光催化和光电转换性能，而且还拥有绝大多数半导体材料所不具备的一些特性，如耐化学及光化学腐蚀、成本低、无毒等。纳米TiO2已成为当前该领域人们最感兴趣、研究最多的一种光催化材料。,TiO2的研究进展,TiO2的研究进展面临问题,（1）制备中存在的问题 在纳米TiO2的制备方法中，气相法反应条件较为苛刻,很难进行大规模的生产。而利用液相法制备纳米二氧化钛时，无论是沉淀法还是溶胶-凝胶法，固液分离都比较困难，而且液相法制备的纳米粒子很容易发生团聚，分散性也较差，虽然近几年发展用低温冷冻干燥和超临界流体干燥来
11、克服分散性问题，但其能耗很高、设备复杂，所以在新的制备方法上应尽量克服不利条件。,YANG LiXia,Chinese Sci Bull February (2010) Vol.55 No.4-5,331-338,TiO2的研究进展面临问题,（2）太阳光谱利用率低 TiO2仅能吸收占整个太阳光谱不到5%的紫外光，太阳能利用率低，限制了其实际应用。为了提高TiO2对太阳光谱的利用率，人们进行了很多研究，但是提高光谱利用率所付出的代价非常高。目前，提高TiO2纳米粒子的光谱响应性，使其保持足够的化学及光化学稳定性，仍是尚需解决的重要问题。TiO2作为光催化剂降解有机物的速度还不能满足大多数实际应用
12、的需要。,TiO2的研究进展面临问题,（3）光照对纳米二氧化钛催化活性的影响 纳米TiO2在光照下有催化性，所以光照条件对其有很大影响，当在光线较差的室内时,其应用就会受到限制。晚上几乎没有光照，光催化几乎不发生。而室内光线较差，如果光催化分解污染物的速率不及其释放速率，室内污染物就会超标而影响人体健康。另外，光照产生的氧化自由基寿命短，如果污染物和细菌来不及与TiO2接触，就起不到净化作用。解决上述问题，可通过加入氧化剂，以阻止电子与空穴复合，延长自由基寿命。,TiO2的研究进展,由于上述种种问题，使得纳米TiO2的光催化技术无论在理论基础研究还是在应用研究都还不成熟，离大规模生产还有一段距
13、离，在工业上广泛应用受到极大的制约。,TiO2的研究进展,目前，纳米TiO2研究的重要方向是： 多相光催化反应的研究； 设计合理有效的制备装置及方法； 提高光催化反应的活性和选择性；提高光量子产率，将其激发波长扩展到可见光区，提高光能利用率。,TiO2的研究进展,有序TiO2纳米管阵列薄膜是近年来纳米材料研究的热点之一。这种材料与粉体纳米TiO2薄膜相比具有更大的比表而积和更强的吸附能力。 同时，由于TiO2纳米管结构所具有的有序阵列结构形式，应用该材料后可以提高光生电荷的传输寿命并降低其复合几率。因此这种材料在高灵敏度气体传感器、染料敏化太阳能电池、光解水制氢气及生物医疗组织工程等方面呈现出重要的应用前景,YANG LiXia,Chinese Sci Bull February (2010) Vol.55 No.4-5,331-338,TiO2的研究进展,纳米TiO2作为一种新型的光催化剂显示出巨大的潜在优势，被誉为“环境催化剂”，可改善生存环境，给我们生活带来更多的便利。有着极其广泛市场规模正在迅速扩大的用途，市场规模正在迅速扩大。,谢谢！,
