納米氧化鈦

納米二氧化鈦還具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無(wú)毒性、超親水性、非遷移性，且完全可以與食品接觸，所以被廣泛應(yīng)用于抗紫外材料、紡織、光催化觸媒、自潔玻璃、防曬霜、涂料、油墨、食品包裝材料、造紙工業(yè)、航天工業(yè)中。

1.殺菌功能

在紫外線作用下，以0.1mg/cm3濃度的超細(xì)TiO2可徹底地殺死惡性海拉細(xì)胞，而且隨著超氧化物歧化酶(SOD)添加量的增多，TiO2光催化殺死癌細(xì)胞的效率也提高;用TiO2光催化氧化深度處理自來(lái)水，可大大減少水中的細(xì)菌數(shù)，飲用后無(wú)致突變作用，達(dá)到安全飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。在涂料中添加納米二氧化鈦可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，可應(yīng)用于醫(yī)院病房、手術(shù)室及家庭衛(wèi)生間等細(xì)菌密集、易繁殖的場(chǎng)所，可有效殺死大腸桿菌、黃色葡萄糖菌等有害細(xì)菌，防止感染。因此，納米納米二氧化鈦能凈化空氣，具有除臭功能。

1)納米二氧化鈦(同TG01)抗菌特點(diǎn):

1 對(duì)人體安全無(wú)毒，對(duì)皮膚無(wú)刺激性。

2 抗菌能力強(qiáng)，抗菌范圍廣。

3 無(wú)臭味、怪味，氣味小。

4耐水洗，儲(chǔ)存期長(zhǎng)。

5熱穩(wěn)定性好，高溫下不變色，不分解，不揮發(fā)，不變質(zhì)。

6即時(shí)性好，納米二氧化鈦抗菌劑僅需1h就能發(fā)揮效果，而其他銀系抗菌劑效果則需約24h。

7納米二氧化鈦是一種永久性維持抗菌效果的抗菌劑。

8具有很好的安全性，科用于食品添加劑等，與皮膚接觸無(wú)不良影響。

2)納米二氧化鈦的抗菌原理:

納米二氧化鈦在光催化作用下使細(xì)菌分解而達(dá)到抗菌效果的。由于納米二氧化鈦的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為一個(gè)滿 TiO2的價(jià)帶和一個(gè)空的導(dǎo)帶 ,在水和空氣的體系中 , 納米二氧化鈦在陽(yáng)光尤其是在紫外線的照射下 ,當(dāng)電子能量達(dá)到或超過(guò)其帶隙能時(shí) ,電子就可從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶 ,同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生相應(yīng)的空穴 ,即生成電子、空穴對(duì) ,在電場(chǎng)的作用下 ,電子與空穴發(fā)生分離 ,遷移到粒子表面的不同位置 ,發(fā)生一系列反應(yīng) :

TiO2 + hν e -- + h

H2O + h-- ·OH+ H

O2 +e-- O2 ·

O2 ·+ H-- HO2·

2HO2· -- O2 + H2O2

H2O2 +O2 · -- ·OH+OH +O2

吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘獲電子形成O2 ·, 生成的超氧化物陰離子自由基與多數(shù)有機(jī)物反應(yīng)(氧化) ,同時(shí)能與細(xì)菌內(nèi)的有機(jī)物反應(yīng) ,生成 CO2和 H2O;而空穴則將吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成·OH,·OH 有很強(qiáng)的氧化能力 ,攻擊有機(jī)物的不飽和鍵或抽取 H原子產(chǎn)生新自由基 ,激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng) ,最終致使細(xì)菌分解。

TiO2 的殺菌作用在于它的量子尺寸效應(yīng) ,雖然鈦白粉(普通 TiO2)也有光催化作用 ,也能夠產(chǎn)生電子、空穴對(duì) ,但其到達(dá)材料表面的時(shí)間在微秒級(jí)以上 ,極易發(fā)生復(fù)合 ,很難發(fā)揮抗菌效果，而達(dá)到納米級(jí)分散程度的 TiO2 ,受光激發(fā)的電子、空穴從體內(nèi)遷移到表面 ,只需納秒、皮秒、甚至飛秒的時(shí)間 ,光生電子與空穴的復(fù)合則在納秒量級(jí) ,能很快遷移到表面 ,攻擊細(xì)菌有機(jī)體 ,起到相應(yīng)的抗菌作用。

納米二氧化鈦具有很高的表面活性，抗菌能力強(qiáng)，產(chǎn)品易于分散。經(jīng)試驗(yàn)表明，納米二氧化鈦對(duì)綠膿桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門(mén)氏菌和曲霉菌等具有很強(qiáng)的殺菌能力，已廣泛應(yīng)用于紡織、陶瓷、橡膠、醫(yī)藥等領(lǐng)域的抗菌產(chǎn)品，深受廣大用戶的歡迎。

3)國(guó)內(nèi)外對(duì)納米二氧化鈦抗菌性的研究及應(yīng)用實(shí)例

1 農(nóng)田抗菌劑:日本開(kāi)發(fā)了一種新型無(wú)菌殺菌劑。其主要成分為納米二氧化硅、納米二氧化鈦和銀、銅等離子，可用于土壤中，對(duì)所有的細(xì)菌都有很強(qiáng)的抗菌性。改殺菌劑是陶瓷類微量混合金屬離子，并在含有相同離子的催化劑作用下，具有使土壤中的氧活化之功能，該功能能持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2-5年。

2 衛(wèi)生陶瓷潔具:陶瓷的燒結(jié)溫度很高，故只能添加高溫下穩(wěn)定的無(wú)菌抗菌劑。日本最近開(kāi)發(fā)出的用納米二氧化硅包覆的抗菌陶瓷用品。其制造工藝是先將納米二氧化鈦加水制成漿料涂在陶瓷表面上，高溫?zé)Y(jié)即得到1微米厚的光催化納米二氧化鈦薄膜產(chǎn)品。在光照射下，就能完全殺死其表面的細(xì)菌。微量在微弱光下也有抗菌性，可在納米二氧化鈦漿料中加銀、銅等離子化合物。這種陶瓷的持久性、耐酸和耐堿行好，是醫(yī)藥、賓館、家庭浴缸、地磚、衛(wèi)生設(shè)施等抗菌除臭的理想陶瓷。

3 水處理:美國(guó)德克薩斯大學(xué)研究人員利用納米二氧化鈦和太陽(yáng)光進(jìn)行滅菌。他們將大腸桿菌和納米二氧化鈦混合液在大于380nm的光線照射下，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌被迅速殺死。這種技術(shù)有可能成為目前用氯化方法水處理的代用技術(shù)。

4新型抗菌熒光燈:日本制作新開(kāi)發(fā)了具有抗菌作用的信息熒光燈，并于1997年商品化。這種燈壽命長(zhǎng)，節(jié)能，應(yīng)用前景廣闊。該等表面涂布了光催化殺菌劑納米二氧化鈦，能分解等表面的油漬、空氣中的菌類異臭等。清掃勝利，且具有防止燈光發(fā)暗的效果。

5抗菌纖維:抗菌纖維和除臭纖維是信息的功能纖維，這些是將納米二氧化鈦、納米二氧化硅、納米氧化鋅(JS03)等微粉摻入天然、人工聚合物或長(zhǎng)絲中，再紡制出各種抗菌和除臭纖維。抗菌纖維具有優(yōu)良的保健功能。

6 抗菌建材和抗菌涂料:據(jù)報(bào)道，抗菌鈦可殺死周?chē)木悾哂锌咕?、防銹、分解異臭、防污、減少二氧化氮含量等功能。不僅能將房間內(nèi)新建材、粘結(jié)劑等產(chǎn)生的甲醛、吸煙產(chǎn)生的乙醛、家庭灰塵等產(chǎn)生的甲硫醇等有機(jī)異臭在紫外線照射下分解而消除掉，還能分解油分和有機(jī)物的表面污染。對(duì)油膜帶3日照射就可以明顯減少，5日照射就不留痕跡。對(duì)有機(jī)染料經(jīng)3日照射，顏色就可消退。利用這種性能，可將抗菌鈦用作外壁和內(nèi)墻裝飾材料。

在建筑物的屋頂和外墻上、醫(yī)院手術(shù)室的手術(shù)臺(tái)和墻壁上常附著細(xì)菌如果涂刷光催化納米二氧化鈦涂層或墻磚，在陽(yáng)光或室內(nèi)弱光照射下，細(xì)菌能很快消滅。而且，經(jīng)雨水沖刷科隨時(shí)把氧化分解后的污垢物沖刷掉。

7殺滅口腔微生物:納米二氧化鈦能殺滅S.Mutans株AHT(血清型)，還能殺滅倉(cāng)鼠屬鏈球菌SH-6、鼠屬鏈球菌FA-1和黏性放線菌ATCC-19246。研究表明，納米二氧化鈦粒度越細(xì)、分散性越好、比表面積越大，殺菌效果越好。

2.2防紫外線功能

納米氧化鈦(T25)既能吸收紫外線，又能反射、散射紫外線，還能透過(guò)可見(jiàn)光，是性能優(yōu)越、極有發(fā)展前途的物理屏蔽型的紫外線防護(hù)劑。

納米氧化鈦的抗紫外線機(jī)理:

按照波長(zhǎng)的不同,紫外線分為短波區(qū)190~280 nm、中波區(qū)280~320 nm、長(zhǎng)波區(qū)320~400nm。短波區(qū)紫外線能量最高,但在經(jīng)過(guò)離臭氧層時(shí)被阻擋,因此,對(duì)人體傷害的一般是中波區(qū)和長(zhǎng)波區(qū)紫外線。

納米氧化鈦的強(qiáng)抗紫外線能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外線能力及其機(jī)理與其粒徑有關(guān):當(dāng)粒徑較大時(shí),對(duì)紫外線的阻隔是以反射、散射為主,且對(duì)中波區(qū)和長(zhǎng)波區(qū)紫外線均有效。防曬機(jī)理是簡(jiǎn)單的遮蓋,屬一般的物理防曬,防曬能力較弱;隨著粒徑的減小,光線能透過(guò)納米二氧化鈦的粒子面,對(duì)長(zhǎng)波區(qū)紫外線的反射、散射性不明顯,而對(duì)中波區(qū)紫外線的吸收性明顯增強(qiáng)。其防曬機(jī)理是吸收紫外線,主要吸收中波區(qū)紫外線。

由此可見(jiàn), 納米氧化鈦對(duì)不同波長(zhǎng)紫外線的防曬機(jī)理不一樣,對(duì)長(zhǎng)波區(qū)紫外線的阻隔以散射為主,對(duì)中波區(qū)紫外線的阻隔以吸收為主。

納米氧化鈦在不同波長(zhǎng)區(qū)均表現(xiàn)出優(yōu)異的吸收性能，與其他有機(jī)防曬劑相比，納米二氧化鈦具有無(wú)毒、性能穩(wěn)定、效果好等特點(diǎn)。日本資生堂應(yīng)用10-100nm的納米二氧化鈦?zhàn)鳛榉罆癯煞痔砑佑诳诩t、面霜中，其防曬因子可大SPF11-19。

納米二氧化鈦由于粒徑小,活性大,既能反射、散射紫外線,又能吸收紫外線,從而對(duì)紫外線有更強(qiáng)的阻隔能力。與同樣劑量的一些有機(jī)紫外線防護(hù)劑相比，納米氧化鈦在紫外區(qū)的吸收峰更高，更可貴的是它還是廣譜屏蔽劑，不象有機(jī)紫外線防護(hù)劑那樣只單一對(duì)UVA或UVB有吸收。它還能透過(guò)可見(jiàn)光，加入到化妝品使用時(shí)皮膚白度自然，不象顏料級(jí)TiO2，不能透過(guò)可見(jiàn)光，造成使用者臉上出現(xiàn)不自然的蒼白顏色。

利用納米TiO2的透明性和紫外線吸收能力還可用作食品包裝膜、油墨、涂料、紡織制品和塑料填充劑，可以替代有機(jī)紫外線吸收劑，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。

2.3光催化功能

納米二氧化鈦采用液相法制備出的二氧化鈦具有粒子團(tuán)聚少、化學(xué)活性高，粒徑分布窄、形貌均一等特性，具有很強(qiáng)的光催化性能，已廣泛應(yīng)用于環(huán)保中。

(1)氣體凈化

環(huán)境有害氣體可分為室內(nèi)有害氣體和大氣污染氣體。室內(nèi)有害氣體主要有裝飾材料等放出的甲醛及生活環(huán)境中產(chǎn)生的甲硫醇、硫化氫及氨氣等。納米二氧化鈦通過(guò)光催化作用可將吸附于其表面的這些物質(zhì)分解氧化，從而使空氣中這些物質(zhì)的濃度降低，減輕或消除環(huán)境不適感。

另外，TiO2在光照下對(duì)環(huán)境中微生物的抑制或殺滅作用，因此，納米二氧化鈦能凈化空氣，具有除臭功能。

(2)對(duì)有機(jī)廢水的處理，效果十分理想。

納米二氧化鈦復(fù)合材料對(duì)有機(jī)廢水的處理，效果十分理想。以TiO2為光催化劑，在光照的條件下，可使水中的烴類、鹵代物、羧酸等發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，并逐步降解，最終完全氧化為環(huán)境友好的CO2和H2O等無(wú)害物質(zhì)。采用新型納米二氧化鈦載銀復(fù)合催化劑，對(duì)印染和精煉廢水生化處理后的出水進(jìn)行深度處理，光照120min后，印染和精煉廢水的CODcr去除率分別為75.3%和83.4%。經(jīng)研究表明，在太陽(yáng)光照射下用多孔納米TiO2薄膜處理水溶液中的敵敵畏有很好的效果。除此之外，納米二氧化鈦還可有效地用于含CN-的工業(yè)廢水的光催化降解。

(3)處理無(wú)機(jī)污水

除有機(jī)物外，許多無(wú)機(jī)物在TiO2表面也具有光學(xué)活性，例如無(wú)機(jī)污水中的Cr6+接觸到TiO2催化劑表面時(shí)，能夠捕獲表面的光生電子而發(fā)生還原反應(yīng)，使高價(jià)有毒的Cr6+降解為毒性較低或無(wú)毒的Cr3+，從而起到凈化污水的作用;一些重金屬離子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化劑表面也能夠捕獲電子而發(fā)生還原沉淀反應(yīng)，可回收污水的無(wú)機(jī)重金屬離子。

2.4 防霧及自清潔功能

TiO2薄膜在光照下具有超親水性和超永久性，因此其具有防霧功能。如在汽車(chē)后視鏡上涂覆一層氧化鈦薄膜，即使空氣中的水分或者水蒸氣凝結(jié)，冷凝水也不會(huì)形成單個(gè)水滴，而是形成水膜均勻地鋪展在表面，所以表面不會(huì)發(fā)生光散射的霧。當(dāng)有雨水沖過(guò)，在表面附著的雨水也會(huì)迅速擴(kuò)散成為均勻的水膜，這樣就不會(huì)形成分散視線的水滴，使得后視鏡表面保持原有的光亮，提高行車(chē)的安全性。

納米二氧化鈦具有很強(qiáng)的"超親水性"，在它的表面不易形成水珠，而且納米二氧化鈦在可見(jiàn)光照射下可以對(duì)碳?xì)浠衔镒饔谩＠眠@樣一個(gè)效應(yīng)可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面涂上一層納米TiO2薄層，利用氧化鈦的光催化反應(yīng)就可以把吸附在氧化鈦表面的有機(jī)污染物分解為CO2和H2O，同剩余的無(wú)機(jī)物一起可被雨水沖刷干凈，從而實(shí)現(xiàn)自清潔功能。日本東京已有人在實(shí)驗(yàn)室研制成功自潔瓷磚，這種新產(chǎn)品的表面上有一薄層納米二氧化鈦，任何粘污在表面上的物質(zhì)，包括油污、細(xì)菌在光的照射下，由于納米二氧化鈦的催化作用，可以使這些碳?xì)浠衔镂镔|(zhì)進(jìn)一步氧化變成氣體或者很容易被擦掉的物質(zhì)。納米TiO2光催化作用使得高層建筑的玻璃、廚房容易粘污的瓷磚、汽車(chē)后視鏡及前窗玻璃的保潔都可很容易地進(jìn)行。

2.5納米二氧化鈦可作為鋰電池、太陽(yáng)能電池原料

納米二氧化鈦(T30D)添加到鋰電池里，可提高鋰電池容量及循環(huán)穩(wěn)定性,特別是循環(huán)時(shí)放電電壓平臺(tái)的穩(wěn)定性，可有效提高電池在多次充放電過(guò)程中的電化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，電池在使用過(guò)程中更穩(wěn)定、更耐用。

2.6 納米二氧化鈦(同T25F)用在紡織上可以替代PVA

在纖維紡織成紗的過(guò)程中，為了減少經(jīng)紗斷頭必須上漿。我國(guó)從上世紀(jì)五六十年代開(kāi)始使用的漿料PVA為高分子化合物，在自然環(huán)境中很難降解。因此在歐洲部分國(guó)家被列為"不潔漿料"，已經(jīng)被明令禁止使用。歐盟對(duì)PVA的限制，也將是我國(guó)棉紡織品出口綠色貿(mào)易壁壘的關(guān)注重點(diǎn)。開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保漿料，取代難降解的PVA是國(guó)內(nèi)紡織行業(yè)一直尋求的"破壁"目標(biāo)。

納米二氧化鈦用在紡織漿料里面，通過(guò)與淀粉的完美結(jié)合，提高紗線的綜合織造性能，減少PVA的用量，煮漿時(shí)間短，降低了漿料成本，提高漿紗效益，也解決了PVA漿料不易退漿、環(huán)境污染等諸多問(wèn)題。納米二氧化鈦納米二氧化鈦在紗線里主要是替代PVA,起到貼順毛羽，填補(bǔ)缺口，潤(rùn)滑的作用。

2.7.其它功能

納米二氧化鈦對(duì)某些塑料、氟里昂及表面活性劑SDBS也具有很好的降解效果。

還有人發(fā)現(xiàn)，TiO2對(duì)有害氣體也具有吸收功能，如含TiO2的烯烴聚合物纖維涂在含磷酸鈣的陶瓷上可持續(xù)長(zhǎng)期地吸收不同酸堿性氣體。

鑒于以上功能，納米二氧化鈦具有非常廣闊的前景。對(duì)它的研究和利用會(huì)給人們的生活帶來(lái)巨大改變。

《新材料導(dǎo)報(bào)》 2010 陸曉燕 Wan Jing New Material

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隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，環(huán)境的安全、健康成了人們生活改善非常迫切的需求。氧化鈦具有活性高、穩(wěn)定性好、無(wú)毒和成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究最為廣泛的光催化劑之一，也是最有可能制備成光催化陶瓷的材料。納米氧化鈦陶瓷作為催化劑，能夠?qū)⒖梢?jiàn)光的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而在可見(jiàn)光的照射下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期抗菌防霉、凈化致霾氣體和分解甲醛等有機(jī)氣體污染物，成為公認(rèn)的解決室內(nèi)外空氣污染最理想的光催化材料之一。一旦實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；苽?，將有著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

如欲了解更多關(guān)于光催化領(lǐng)域的這一新材料——納米氧化鈦陶瓷，敬請(qǐng)關(guān)注2018年7月于山東淄博舉辦的“2018新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時(shí)，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曹文斌教授將帶您深入了解《光催化環(huán)境凈化技術(shù)（氮摻雜氧化鈦陶瓷）》。

報(bào)告人簡(jiǎn)介：

曹文斌：北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，北京市科技新星、教育部?jī)?yōu)秀人才、科技部重大項(xiàng)目和國(guó)家自科基金評(píng)審專家。研究領(lǐng)域有：半導(dǎo)體光催化材料；光催化材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究；自清潔/抗菌功能薄膜材料；電磁波吸波材料；特種熱致相變材料。

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