纳米 二氧化钛应用新进展

宫惠峰 张辉 王怀宇

　　纳米二氧化钛是近年来发展起来的一种新型高性能材料，其粒子尺寸在1～100nm，表面能和表面张力随粒径
的下降急剧增大而使其具有块状材料所不具备的量子尺寸效应、体积效应、表面效应和宏观隧道效应。与常规材料
相比，纳米二氧化钛具有比表面积大、磁性强、光吸收性好、表面活性大、热导性好、分散性好等独特的性能，同
时还具有光化学性质稳定、催化效率高、氧化能力强、无毒、价格便宜等优点，在化妆品、塑料、涂料、精细陶瓷、
催化剂及环保领域应用广泛。
无机抗菌剂
　　纳米二氧化钛是一种N型半导体，受到波长小于387.5nm 的紫外光的照射时，价带上的电子跃迁到导带，激
发电离出电子同时产生正电性的空穴，产生电子–空穴对(e--h+)，并与其表面吸附的 O2 和 OH- 作用生成超氧化
物阴离子自由基 O2-和羟基自由基·OH，新生成的这两种自由基非常活泼，当遇到细菌时直接攻击细菌的细胞壁、
细胞膜或细胞内的组成成分，对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄葡萄球菌、沙门氏菌、牙枝菌和曲菌及癌细胞等有很强
的杀灭能力。以 ·OH为例，·OH有很强的氧化能力，它攻击有机物的不饱和键或抽取其氢原子，反应产生的新自
由基将会激发链式反应，致使细菌蛋白质的多肽链断裂和糖类解聚，杀死细菌并使之分解。
　　美国得克萨斯大学研究人员将大肠杆菌和纳米二氧化钛混合液在大于 380nm 的光线下照射，发现大肠杆菌以
一级反应动力方程被迅速杀死。东森公司研制的纳米二氧化钛对 23 种有害细菌具有明显的杀菌、抑菌效果。
　　日本已经开发出了用纳米二氧化钛被覆的抗菌陶瓷品，其制造工艺是先将纳米二氧化钛加水制成浆料，涂在陶
瓷砖表面，经高温锻烧即得到1cm厚具有杀菌性能的纳米二氧化钛薄膜产品。该产品在光照射下能完全杀死表面细
菌；若要使其在微弱光下亦有抗菌性能，可在纳米二氧化钛浆料中添加银、铜离子化合物。
　　添加约1%纳米二氧化钛的抗菌塑料，可广泛应用于食品包装、电器、家具、餐具、公共设施等，以防止病菌
的繁殖和交叉感染。
　　将单独的纳米二氧化钛粉体作为食品抗菌保鲜剂，可以有效地对引起食品变质的多种细菌起到杀灭和抑制繁殖
的作用。做成由多孔SiO2 所包覆的复合纳米二氧化钛/ SiO2 粒子， 由于多孔SiO2 对纳米二氧化钛粒子的缓释
作用，可以大大延长食品的保鲜时间。
自 洁 材 料
　　通常情况下，纳米二氧化钛涂膜表面与水有较大的接触角，但经紫外光照射后，与水的接触角减小到 5°以下，
甚至可达到0°，即水滴完全浸润在二氧化钛表面，显示非常强的亲水性。当水在二氧化钛薄膜表面的接触角小于
15°时具有高的水流动性，小于10°时有自清洁效果，小于7°时有防霉效果。同样，油性液体如乙二醇、十六烷、
三油酸甘油酯等经紫外光照射后，也会完全浸润在纳米二氧化钛涂膜表面。即纳米二氧化钛表面具有水油两亲合性，
属“超双亲性界面材料”，采用这种材料处理玻璃、瓷砖、农用薄膜，具有自洁、防雾的效果。
　　试验表明，镀有纳米二氧化钛薄膜的表面具有高度的自清洁效应，一旦这些表面被油污等污染，因其表面具有
超亲水性，污物不易在其表面附着，而附着的污物也会因光催化作用而分解。阳光中的紫外线足以维持纳米二氧化
钛薄膜表面的亲水特性，从而使其表面具有长期的防污自清洁效应。将其应用于玻璃、陶瓷等建材，以及高层建筑
物的外墙及顶棚，利用太阳光、荧光灯中含有的紫外光作激发源，可以分解油、尘埃和砂粒，分解后的污垢物经雨
水冲刷可除掉，这样不仅有利于美化环境，也可减少因清扫带来的不便和不安全因素。
　　将纳米二氧化钛覆盖在隧道内的照明灯玻璃上，可防止汽车尾气污染，除去汽车、摩托车排出的废气中带有的
NOx、油、积炭气的尘埃，净化隧道空气。这种灯罩玻璃能保持光洁如新，连续使用4个月仍有效。
　　含纳米二氧化钛的光催化净化涂料，具有使用方便、光催化效率高、光催化剂可迅速再生的特点，同时还可降
解大气中的其他污染物，如卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等，作为环保型涂料有着潜在的应用前景。
环 境 治 理
　　自从 1972 年 Fujishima 等发现受辐射的纳米二氧化钛表面能发生水的持续氧化还原反应以来，半导体光催
化氧化法作为一种降解有机物的深度氧化技术已为人们所关注，其中纳米二氧化钛因其高活性、安全、价廉、无污
染等优点备受人们的青睐。
　　研究发现，纳米二氧化钛能有效地对卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、表面活性剂、农药等进行
光催化反应，最终生成无机小分子物质。所以，纳米二氧化钛可处理多种类型的有机废水，如催化降解染料废水、
油田的含油废水及含有石油污染物的水体、含苯酚类污染物的洗煤废水、垃圾填埋场的渗滤液等，均具有良好的降
解效果。
　　中国科学院利用太阳光和纳米二氧化钛粉末对苯酚水溶液和对十二烷基苯磺酸钠水溶液进行试验，结果表明，
在多云和阴天条件下，日光照射12h后，浓度为0.5 mmoL/L的苯酚已完全降解，浓度为1mmoL/L的对十二烷基苯
磺酸钠亦基本完成降解，净度高且无二次污染。在光照条件下，以纳米二氧化钛为催化剂时，Cr6+ 及其铬盐污染
物能发生还原作用，达到光催化净化。
　　纳米二氧化钛能够降解空气中超标的CO、SO2、NOx等有害气体。利用纳米二氧化钛的光催化作用可将这些气
体氧化，形成蒸汽压低的硝酸和硫酸，这些硝酸和硫酸可利用水溶液吸收，达到净化的效果。同时，二氧化钛作为
一种光催化剂，与吸附剂（如沸石、活性碳二氧化硅等）相结合，在弱紫外光的照射和激发条件可有效地降解室内
低浓度的有害气体，甲醛、甲苯等有机物可完全被催化分解为二氧化碳和水，
　　据报道，在透水性多孔混凝土表面7～8mm深度内掺入50%的二氧化钛纳米粉制成的光催化混凝土，对浓度
lO-5mol/L的NOx去除力达80%，将之用于公路的铺设，可有效地对汽车尾气等污染进行净化治理，改善大气质量。
分解水制氢气
　　电解水制氢是一种成熟技术，但耗电量大，成本很高。用纳米二氧化钛作光催化剂，利用太阳能分解水制H2，
是解决能源问题的合理途径。实际应用所面临的问题主要是催化剂的分离回收或固定化问题，以及反应器的设计及
提高光催化剂的利用率等。
化 妆 品
　　紫外线中的UVA（320～400nm）、UVB（280～320nm）对皮肤穿透力强，若照射过量，易引起皮肤癌或急性皮炎
（日光晒斑）。纳米二氧化钛为无机成分，对人体安全无毒、对皮肤无刺激性、对紫外线UVA、UVB的吸收能力强，
因此纳米二氧化钛被广泛应用于化妆品中。据预测，日本每年作为防晒剂用于化妆品的纳米二氧化钛在1000t左右。
　　我国钛资源丰富，具有广阔的开发基础和应用空间，纳米二氧化钛以其众多优良的性能正等待人类去开发利用。