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二氧化钛光催化中的应用

华荣新闻

专门从事纳米光催化涂料、纳米二氧化钛粉体、光触媒液体技术研究、生产以及应用的高新环保技术企业

二氧化钛光催化中的应用

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纳米二氧化钛是目前用的最为广泛的纳米材料之一,是一种新型的无机材料。主要具备以下的优势:如没有毒性且具有较好的白度和光亮度等特点,因此常用于涂料、塑料、化妆品等方面;同时因其化学结构稳定、生物相容性好,而被广泛应用于抗菌除臭等领域。而它与常规固体所具有的特性(光、热、电、磁)不同,它是以其独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等新特性广泛应用在众多领域。如今人们越来越重视环境保护,对环境治理有重要作用的光催化技术的研究也变得空前高涨。

1.1二氧化钛的光催化反应机理

纳米TiO2是一种 N 型宽禁带半导体材料,具有能带结构一个空的高能导带和一个充满电子的低能价带,两者间不存在任何电子能级即没有任何电子态所具有的能量,这一区域称为能隙或者禁带。目前关于TiO2光催化机理,被普遍接受的是电子-空穴理论。Ti O2吸收了有效光子能量( 大于 3. 2 e V)后,价带中的电子就会被激发到导带产生光生电子( e) ,同时在价带上产生相应的光致空穴( h+) ,h+具有很强的得电子能力,而导带上的 e又具有强还原性,当 TiO2表面吸附的拥有空轨道的正离子( 如重金属离子等) e结合后被还原,吸附在TiO2表面上的羟基或者水与 h+ 发生反应并生成活性氧自由基,可以破坏有机物中的 C-C 键、CN 键、CH 键、OH 键以及不饱和键,生成无毒害的 H2O、CO2等小分子物质,从而达到有机物被分解的目的。

1.2.1用于废水处理 

利用纳米TiO2的光催化性质来处理废水和改善环境是一种行之有效的方法。Matthews等采用纳米TiO2对水中34种有机污染物的光催化分解进行了系统的研究。Mahmoodi等研究了固定化TiO2纳米微粒光催化降解除草剂“水田一号”实验证明,光催化法是一种有效的处理“水田一号”污染废水的方法。Ljubas等对地表湖水中的有机物进行了光催化降解实验,结果表明,TiO2纳米微粒在太阳光的照射下可以有效除去湖水中的有机物质,达到饮用水的水质标准。与传统的处理方法相比,光催化氧化法降解水中污染物具有能耗低、操作简便、反应条件温和及减少次污染等优点,因而受到广泛重视。 

1.2.2用作传感器材料

该用途发挥的主要领域是用在汽车尾气传感器,目的是为了检测汽车尾气中含有的氮气含量,一方面控制碳氧化物和氮氧化物造成的尾气污染,另一方面还可以提高汽车中发动机的效率 。此外,该传感器还可用于检测一些可燃性气体,

如 H2、CO 等,而且目前研制成功的电阻型 Ti O2半导体氧传感器价格适中,体积轻巧,便于携带,已经受到了人们的青睐。

1.2.3用于空气净化 

近几十年来,全球大气质量逐渐恶化。研究发现,大多数的有机物在气相条件下也能被光催化氧化成简单无机物。因此,利用光催化法治理空气中有机污染物的研究逐渐受到重视。与常用的废气处理方法相比,光催化氧化法具有反应速率快,效率高,无二次污染等优点,是一种较为理想的空气化方法,目前已经成为废气治理的主要研究方法之一。

1.2.4用于杀菌、除臭和抗癌 

TiO2纳米微粒不仅具有优良的光催化性能,其优异的抗菌性能也逐渐引起人们的重视。它在杀死细菌的同时,还能降解由细菌释放出的有毒复合物。因此,TiO2纳米微粒可以充分抑制或杀灭环境中的有害微生物,降低环境微生物对人体的危害。日本科学家 Yoshihiko等通过大量的实验证明,纳米TiO2对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、沙门氏菌等都具有抑制和杀灭作用。光催化技术还可以应用于癌症治疗。Cai等用老鼠作为实验对象,将含有TiO2纳米微粒的溶液注入到大约0.5cm的肿瘤上,然后对其进行光照,结果发现这种治疗明显地阻止了肿瘤的生长。将TiO2光催化剂用于制造家用卫生洁具,可净化家庭环境,保持卫生洁具表面较长时间清洁。含有TiO2光催化剂的墙砖和地砖具有杀菌和消毒的功能,可以被广泛应用于医院餐厅等公共场所。

1.2.5用于涂料油漆工业 

将纳米TiO2和云母珠光颜料并用时,通过光的多层次的反射和涉作用,产生极好的珠光效应和随角异色效应,作为效应颜料可以产生十分迷人的精美双色,这种效应颜料的神秘色彩和独特的光学性能,很受汽车涂料商的欢迎,现已广泛应用于汽车涂料中。