1、TiO 2納米粉末的性能與應用01化本(2 01061244 吳允雄正如 20世紀 70年代微米技術的崛起一樣,納米技術將成為 21世紀主導技術。元器件的超微化、 高密度集成和高空間分辨要求材料的尺寸越來越小,性能越來越高,納米材料將充當重要的角色。納米 科技的內容是在納米尺寸范圍內認識和改造自然,通過直接操縱和安排原子、分子而創造具有獨特性質 的新材料。它是一門多學科交叉的、基礎研究和應用開發緊密聯系的高新技術,如納米生物學、納米電 子學、納米化學、納米材料學和納米機械學等新學科。納米材料學是納米科技的重要組成部分。納米材 料分為兩個層次,即納米超微粒子與納米固體材料。納米超微粒子指的是粒子

2、尺寸為 1-100nm 的超微 粒子;納米固體是指由納米超微粒子制成的固體材料。納米粒子本身的結構和特性決定了納米固體材料 的許多新特性。納米 TiO 2自 20世紀 80年代問世以來, 因其顆粒細且比表面積大而具有常規材料所不具備的特殊效 應,如量子效應、隧道效應、獨特的顏色效應,以及光催化作用及紫外屏蔽等功能,在汽車、化妝品、 衛生保健、廢水處理、環保等方面顯示出廣闊的應用前景。本文介紹其常用性能及應用。一、性能 光致發光 圖 4 納米二氧化鈦漫 反射光譜和激發光譜樣品的漫反射光譜和光致發光譜分別用 Lambda 900 UV VIS NIR 型紫外分光光度計和 LS 50B 型熒光光譜儀

3、測量. 從圖 4a 可以看出, 納米二氧化鈦粉末的光學吸收帶隙大約在 384nm ; 在 250-400nm 之間的紫外區有強吸收;在 400-500nm 之間的長波區有弱的吸收.體相銳鈦礦型二氧化鉆的吸收帶隙為 3.2eV ,和體相材料相比 , 納米二氧化鈦粉末的光學吸收帶邊有 0.03eV 的藍移.由于半導體納米微粒的 吸收帶隙主要受到電子 -空穴量子限域能、電子 -空穴庫侖相互作用能和介電效應引起的表面極化能的影 響,漫反射光譜的吸收帶隙向短波藍移說明量子尺寸效應的影響大于庫侖作用能和表面極化能的彤 響.比較圖 4a 、 b 可以發現,位于 384nm 的激發光譜帶和漫發射光譜中的本征吸

4、收帶隙相吻合,而位于 410nm 的激發光譜帶可能對應于帶邊的自由激子吸收帶.二、應用納米二氧化鈦是面向 21世紀的新材料,由于它顆粒極細,比表面積大,因而具備一般二氧化鈦產 品無法比擬的新性能和新用途。納米 TiO 2抗菌防霉機理由于 TiO 2電子結構所具有的特點,使其受光時生成化學活潑性很強的超氧 化物陰離子自由基和氫氧自由基,攻擊有機物,達到降解有機污染物的作用。當遇到細菌時,直接攻擊 細菌的細胞,致使細菌細胞內的有機物降解,以此殺滅細菌,并使之分解。一般常用的殺菌劑銀、銅等 能使細菌細胞失去活性, 但細菌殺死后, 尸體釋放出內毒素等有害的組分。 納米 TiO 2不僅能影響細菌繁 殖力

5、,而且能破壞細菌的細胞膜結構,達到徹底降解細菌,防止內毒素引起的二次污染。納米 TiO 2屬于非溶出型材料,在降解有機污染物和殺滅細菌的同時,自身不分解、不溶出,光催化作用持久,并具有 持久的殺菌、降解污染物效果。作為納米材料,除了滿足納米尺寸的要求以外,還必須具備功能性和應用性。達到納米尺度分布的 TiO 2,能充分地體現量子尺寸效應、表面效應、體積效應和宏觀量子隧道效應,因此具有納米粒子一系 列特殊的應用特,如抗菌、空氣凈化、污水凈化等。納米 TiO 2應用領域在人們的居住環境中存在著各種有害細菌, 對人類生活產生不良影響。 居室內各 種建筑裝飾材料,如人造板、木質復合地板、層壓木質板家具

6、和膠粘劑等會揮發出甲醛、苯、鹵代烴、 芳香烴等有毒污染物,危害人體健康。如果在建筑內墻涂料、地面覆蓋材料、墻面裝飾材料、家具面漆 等材料中添入納米 TiO 2,既可殺菌防霉,又可降解有機污染物,使人們生活在衛生健康的環境中。此外,添加約 1%納米 TiO 2的抗菌塑料,可廣泛應用于食品包裝、 電器、家具、餐具、 公共設施等, 以防止病菌的繁殖和交叉感染?？咕w維可制作醫療用品等,還可生產抑菌除臭的保健紡織品、衛生紡 織品等,以提供安全有效的保健功能。TiO 2光催化技術工藝簡單、成本低廉,利用自然光、常溫常壓即可催化分解病菌和污染物,具有高 活性、無二次污染、無刺激性、安全無毒、化學穩定性和熱

7、穩定性好等特點,是最具開發前景的綠色環 保催化劑之一。采用納米 TiO 2光催化劑處理有機廢水,能有效地將水中的鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、硝基 芳烴、多環芳烴、酚類、染料、農藥等進行除毒、脫色、礦化,最終降解為二氧化碳和水,目前這方面 的研究已取得進展,光催化降解污水將成為有效的處理手段。利用金紅石型納米 TiO 2的紫外線屏蔽優異性和高耐候性,以及光催化效應(作為光觸 媒 來降解 氮氧化物 (NOx 、 硫氧化物 (SOx 等, 還可以有效地治理工業廢氣、 汽車尾氣排放所造成的大氣污染, 其原理是利用自然光資源, 通過納米 TiO 2半導體的光催化效應, 在材料內部由吸收光激發電子, 產生電 子 -空穴對, 即光載流子, 迅速遷移到材料表面, 激活材料表面吸附氧和水分, 產生活性氫氧自由基 (·OH 和超氧陰離子自由基(-2O · ,從而轉化為一種具有安全化學能的活性物質,起到礦化降解環境污染物和 抑菌殺菌的作用。 研究結果顯示, 納米 TiO 2光催化空氣凈化涂料、 陶瓷等材料在消除氮氧化物等方面的 應用具有良好的前景。納米二氧化鈦(TiO 2作為一種新型光催化劑、抗紫外線劑、光電效應劑