1、5二氧化鈦納米材料的應用現(xiàn)有的二氧化鈦納米材料的應用領域包括涂料，牙膏，防紫外線，光催化，光電，傳感，和電致變色以及光色體-這些應用領域前景良好。二氧化鈦納米材料通常有電子帶隙，電子伏特大于3.0，在紫外線區(qū)域具有高吸收性。二氧化鈦納米材料性能非常穩(wěn)定、無毒、價格便宜。由于其良好的光學和生物學性能，可應用于紫外線保護。如果水表面接觸角大于130或小于5，可將表面分別定義為超疏水或超親水表面。各種玻璃制品具有防霧功能，如鏡子，眼鏡，具有超親水或超疏水表面。例如，馮等人發(fā)現(xiàn)可逆超親水性和超疏水性，可來回切換二氧化鈦納米薄膜。用紫外光照射二氧化鈦納米棒薄膜時，光生空穴和晶格氧產生反應，表面氧空缺。動

2、力學上，水分子與這些氧空缺相協(xié)調，球形水滴沿納米棒填補了凹槽，并且在二氧化鈦納米棒薄膜上分散，接觸角約為0-這會導致超親水二氧化鈦薄膜。羥基吸附后，表面轉化成大力亞穩(wěn)態(tài)。如薄膜被放置在黑暗中，被吸附羥基逐漸取代了大氣中的氧氣，表面回到原始狀態(tài)。表面潤濕度由超親水轉換成超疏水。由于超親水或超疏水表面，許多不同類型的表面具有防污、自潔性能。電氣或光學性質隨吸附而產生變化，二氧化鈦納米材料也可用來作為各種氣體和濕度傳感器。就未來的清潔能源應用而言，最重要的研究領域之一，是尋找高效電力和/或氫氣材料。如二氧化鈦和有機染料或無機窄禁帶半導體敏化，二氧化鈦能吸收光，形成可見光區(qū)域，并將太陽能轉換成電能，應

3、用于太陽能電池。Gratzel領導的小組，運用染料敏化太陽能技術，實現(xiàn)了將所有太陽能轉換成電流，轉換效率物10.6電流。人們廣泛研究了二氧化鈦納米材料用于水分解和制氫，這是因為于水氧化還原時，其具有合適的電子能帶結構。二氧化鈦納米材料另外應用-二氧化鈦納米材料與染料或金屬納米粒子敏化時，形成光致變色。當然，二氧化鈦納米材料的眾多應用之一是光催化分解各種污染物。5.1光催化應用二氧化鈦被認為是最有效的、無害環(huán)境的光催化劑，廣泛用于各種污染物的降解。二氧化鈦光催化劑還可以用來殺死細菌，可處理大腸桿菌懸液。發(fā)亮的二氧化鈦具有強氧化力，癌癥治療中，可用于殺死腫瘤細胞。人們廣泛研究了光催化反應機制。半導

4、體的光催化反應原理非常簡單。吸收的光子能量大于二氧化鈦帶隙，電子從價帶激發(fā)到導帶，形成電子空穴對。一些電荷載體遷移到表面，并和吸附到表面的化學品發(fā)生反應，分解這些化學品。這種光解過程通常涉及一個或更多的自由基或中間物質。比如OH,O2,H2O2，和O2-它們在光催化反應機制中扮演重要角色。半導體光催化活性主要取決于-（i）光吸收性能，例如，光吸收光譜和系數(shù)。（ii）電子和空穴決定表面還原和氧化率。（iii）電子空穴復合率。一個較大面積的表面，具有恒定的吸附劑表面密度，會使光催化反應速度更快。在這個意義上說，表面面積越大，光催化活性越高。另一方面，表面具有缺陷，因此，表面面積越大，重組的速度就越

5、快。結晶度越高，大面積缺陷就越少，光催化活性越高。高溫治療上通常提高了二氧化鈦納米材料，這反過來又可以促使小顆粒聚集和降低表面積的結晶。從上述一般結論來看，物理特性和光催化活動的關系是復雜的。考慮相關因素，尋求最佳的條件，這可能因個案而異。5.1.1第一代純二氧化鈦納米材料二氧化鈦顆粒尺寸減小時，表面微粒隨表面積和體積比增大而增加，這可以進一步提高催化劑活性。納米顆粒尺寸減小，帶隙能量增加，這有可能提高價帶洞的氧化還原，并有可能提高導帶電子的氧化還原，這會允許產生光氧化還原反應。此反應不可能在大量材料中進行，除非另有說明。二氧化鈦納米粒子的一個缺點為，它們只能用一小部分陽光進行光催化。實際上，

6、存在著為特定光催化反應的最佳尺寸。王等人研究了二氧化鈦納米材料加氫反應，即CH3CCH和H2O反應，他們發(fā)現(xiàn)了：二氧化鈦粒子的直徑減小，光催化活性就提高，尤其是小于10納米的二氧化鈦粒子。他們建議，對粒子尺寸收益率的依賴，是由于化學反應活性的差異，而不是由于催化劑的物理性質。王等人發(fā)現(xiàn)了二氧化鈦納米材料的最佳尺寸，用于分解氯仿的最大光催化效率。他們觀察到了：粒徑從21下降到11納米時，光催化活性就提高了。他們得出了結論，對于一些特別反應，最佳顆粒尺寸約為10納米。大尺寸二氧化鈦納米粒子中，電荷載體的大部分重組是主要的過程，可以通過減小顆粒尺寸而減少電荷載體重組。當顆粒尺寸降低到某一限額時，表面

7、重組過程占主導地位，這由于產生了電子和空穴，并且接近于表面，表面重組超過了界面電荷載體轉移過程。蔡等人研究了四種尺寸的二氧化鈦納米粒子光催化活性，用于分解2-異丙醇。他們發(fā)現(xiàn)了，7納米微粒的光催化活性1.6倍于P25型二氧化鈦。5-30納米粒子具有較低的光催化效率。經證明，在適當條件下，介孔二氧化鈦，二氧化鈦納米棒，納米管，具有很高的光催化性能。彭等人準備了介孔二氧化鈦，其表面積較大，在氧化羅丹明B上，介孔二氧化鈦顯示了良好的光催化活性，這由于其表面積大、晶粒尺寸小、銳鈦礦結晶介觀結構良好。圖60顯示了試樣中孔二氧化鈦的光催化性能，在不同溫度下，準備和煅燒了這些試樣，并將它們和P25TiO2性

8、能作了比較。所有的介孔二氧化鈦均優(yōu)于DeguessaP25二氧化鈦的光催化性能。將試樣在400C下焙燒，可得到最佳反應。焙燒溫度的進一步增加，光催化性能逐步降低。楊等人發(fā)現(xiàn)了，二氧化鈦納米管用硫酸液處理，對酸性橙光II的降解催化活性，按以下順序排列：二氧化鈦納米管和1.0mol/L硫酸溶液反應二氧化鈦納米管和0.2mol/L硫酸溶液反應未經處理二氧化鈦納米管二氧化鈦納米顆粒,這是因為二氧化鈦納米管經硫酸處理后，由更小的粒子組成，具有較高的比表面積。二氧化鈦氣凝膠被認為有前途的光催化劑。德根等人制備了二氧化鈦氣凝膠，其具有90%的孔隙率和600平方米/克的表面積。他們發(fā)現(xiàn)，經紫外線照射近1小時后

9、，二氧化鈦氣凝膠水楊酸光催化降解，以10倍速度快于Deguessa二氧化鈦光催化降解。圖61顯示了退火前后氣凝膠光降解，并將它們和商用DeguessaP25作了比較。5.1.2。摻雜了金屬的二氧化鈦納米材料：第二代在過去的十年里，在可見光照射條件下，摻雜了金屬的二氧化鈦納米材料已被廣泛研究，以提高各種有機污染物光催化降解性能。崔等人進行了一項關于“摻雜21種過渡金屬元素的二氧化鈦納米顆粒光催化氯仿氧化物和四氯化碳降解”的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)光催化活性與摻雜離子的電子結構有關，因為帶有封閉電子層的摻雜離子，對光催化活性很少或沒有影響。摻雜了0.1%-0.5%的Fe3，Mo5,Ru3Os3,Re5,V4

10、,和Rh3,光催化活性顯著增加，而摻雜了Co3和A13，光催化活性會降低。金屬離子摻雜在二氧化鈦基體中，會明顯影響電荷載體復合率和界面電子轉移率。具有摻雜物的二氧化鈦的光化作用似乎具有一個復雜摻雜濃度功能，即具有二氧化鈦晶格摻雜能級，D電子結構，摻雜分布，電子供體的濃度，光強度。用等離子體增強化學氣相沉積方法制備的摻雜錫離子二氧化鈦納米粒子薄膜，顯示了較高的光催化降解苯酚性能，而在紫外線和可見光照射下，純二氧化鈦和錫離子摻雜物，對光載體分離與可見光激發(fā)有好處。圖62顯示了，在紫外線和可見光下，光催化降解苯酚及其反應時間。其中摻雜了錫的二氧化鈦納米粒子作為光催化劑。與造紙廢水處理的二氧化鈦相比，

11、鐵摻雜納米二氧化鈦顯示了較高的光催化活性，其中鐵含量較低（最佳質量分數(shù)0.05）。與純二氧化鈦相比，在光電消毒大腸桿菌中，鐵摻雜納米二氧化鈦具有較高的光催化活性。可見光照射下，磯型摻雜TiO2光催化劑催化氧化乙醇。紫外線照射下，純二氧化鈦具有同樣的光催化活性。PT4+離子摻雜二氧化鈦納米粒子表現(xiàn)出較高的光催化降解二氯乙酸性能和降解4氯苯酚性能；銀-二氧化鈦（AgTiO2）納米催化劑表現(xiàn)出較高的光催化降解2,4,6三氯酚性能，由于較好的分離光生載流子，改善氧還原，誘導原子降解程度更高。在可見光下，魏等人合成了鑭、氮共摻二氧化鈦納米粒子，其具有優(yōu)越的催化活性，其中氮摻雜用來縮小二氧化鈦帶隙，鑭用來

12、阻止納米粒子聚集。張等人宣布鉻和氮共摻二氧化鈦納米粒子，可以吸附可見光，這通常導致亞甲基藍脫色光催化效能降低，除了氮摻雜濃度較低時。Bessekhouad等發(fā)現(xiàn)低濃度的堿（鋰，鈉，鉀）摻雜的二氧化鈦納米粒子，是降解有機污染物的有希望的材料。彭等人發(fā)現(xiàn)，鈹摻雜的二氧化鈦納米粒子，當其摻雜離子在淺層表面時，摻雜物有益于光催化活性，當其摻雜離子在深層面時，摻雜物對光催化活性有害。然而，并非所有金屬摻雜二氧化鈦納米材料表現(xiàn)出比純二氧化鈦納米材料光催化活性高。馬丁發(fā)現(xiàn)，與純二氧化鈦納米粒子相比，釩摻雜二氧化鈦納米粒子表現(xiàn)出較低的光氧化催化氯苯酚。在攝氧量中心，電荷載體與電子陷阱重組，或在V4+雜質中心，

13、電荷載體與空穴陷阱重組。赫爾曼等人發(fā)現(xiàn)，在可見光區(qū)域，鉻摻雜二氧化鈦較少，草酸、丙烯氧化以及異丙醇和O同位素交換為零，條件為在可見光照射下；與純二氧化鈦相比，在紫外線照射下，草酸、丙烯氧化以及異丙醇和O同位素交換較小。這由于在三價鉻離子位置，電子空穴復合增加了。羅等人報告說，二氧化鈦，分別摻雜了1.5mol%鉬，1mol%的釩加1mol%的鋁，或0.1mol%釩加1mol%1mol%，其光催化活性下降，這由于鉬和釩的d電子，作為二氧化鈦主要載體，可以有效地撲滅高能量的光生空穴，光生空穴在雜質中，二氧化鈦帶隙中的摻雜物攜帶那些雜質。5.1.3。非金屬摻雜的二氧化鈦納米材料：第三代非金屬摻雜TiO

14、2納米材料已被視為第三代光催化劑。廣泛研究了各種非金屬摻雜TiO2納米材料的可見光光催化活性。與純TiO2納米材料相比，非金屬摻雜TiO2納米材料已被證明能改善光催化活性，尤其是在可見光區(qū)域。圖63顯示了用氮摻雜二氧化鈦分解亞甲基藍，此實驗由Asahi和他的同事進行操作。結果表明，在可見光區(qū)域，與純TiO2相比，氮摻雜二氧化鈦具有更好的光催化活性；但紫外線下，氮摻雜二氧化鈦顯示較低的光催化活性。氮濃度依附于氮摻雜二氧化鈦光催化活性，氮濃度在可見光區(qū)域，可見光下，氮光催化活性部位等同于X射線光電子能譜B-N狀態(tài)”其高峰期在396伏特。Iris和其同事研究中，發(fā)現(xiàn)濃度取決于氮摻雜二氧化鈦光催化活性

15、，原因是，低氮濃度（V2%）的氮摻雜二氧化鈦的帶結構，不同于高氮濃度的氮摻雜二氧化鈦的帶結構,據(jù)發(fā)現(xiàn)，氮摻雜二氧化鈦光催化活性大幅增加，這由于-置換摻雜物過程中，O-Ti-N鍵形成作為氮氧化物。可見光照射下，通過氮摻雜二氧化鈦，有機物光催化氧化，這主要是通過水氧化的中間體，或通過氧氣還原的中間體,而不是與空穴氮直接反應.可見光照射時，將氣態(tài)丙酮分解成丙酮和二氧化碳時,氮摻雜二氧化鈦納米管也展現(xiàn)出較高的光催化氧化活性.也研究了硫摻雜二氧化鈦的光催化活性.在可見光區(qū)域，硫摻雜二氧化鈦顯示較高的光催化活性,但在紫外線區(qū)域,其光催化活性較低。在可見光區(qū)域,，用不同方法制備的硫摻雜二氧化鈦顯示出不同的光催化活性，這由于這些樣品具有不同的載體表現(xiàn)。在可見光區(qū)域，碳摻雜二氧化鈦證明了顯著的分解亞甲基藍和異丙醇光催化活性。碳摻雜二氧化鈦由TIC前體組成。與純TiO2相比，碳