纳米Ti02光触媒应用

纳米Ti02光触媒应用

一、TiO2光触媒作用机理

TiO2属于一种n型半导体材料,它的禁带宽度为3.2ev(锐钛矿),当它

受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时,价带的电子就会获

得光子的能量而跃迁至导带,形成光生电子(e-);而价带中则相对应地

形成光生空穴(h+),如图1所示。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶

解氧等氧化性物质所捕获,而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机

物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基,·OH

自由基具有402.8MJ/mol反应能,可破坏有机物中C-C、C-H、C-N、C-O、NH键,因而具有高效分解有机物的水平,有杀菌、除臭、光催化降解有

机污染物的功能。

二、纳米TiO2光触媒的特点

纳米TiO2具有较高的光催化反应活性,吸附水平也较强,可与污染物

更充分地接触,将它们极大限度地吸附在粒子表面。主要特点有：(1)

作用广谱,在光触媒反应过程中,不但能破坏生物因子,也能破坏各种有

机化学物质;(2)在光触媒反应过程中,二氧化钛不参与反应,只起催化

媒介作用,其本身并不随时间延长而消耗,所以使用寿命持久;(3)经过

纳米技术工艺处理的触媒,可在含有微弱紫外线的灯光、自然光、阳光

等多种光源下发挥作用;(4)完全无害,因为纳米二氧化钛本身不释放出

有害物质且本身不参与反应,在反应过程中将所作用的物质完全氧化成

无害的二氧化碳和水等无害物质,所以光触媒作用对环境完全无害。

三、纳米TiO2光触媒在建材领域中的应用

(一)光触媒涂料

1.抗菌涂料

近年来,随着人们环保意识的增强,绿色涂料已成为涂料行业发展的主流,水性涂料作为其主要品种也得到了长足的发展。但其防霉、防菌问

题较为突出,如在贮存过程中生霉、长菌使得涂料的品质降低,在施涂

后膜层生霉、长菌则使得涂层老化、外观污损,甚至开裂、剥落,使涂

料丧失原有的保护和装饰功能。

纳米TiO2在光催化作用下具有分解病原菌和毒素的功能,它作为一种

新型助剂应用于杀菌涂料中,赋予了制品持久、长效的抗菌、杀菌水平,是受到人们注重的新型矿物功能材料1。纳米TiO2涂料与传统的钛白

粉相比,克服了产品在抗菌性、广谱性、抗药性和耐热加工性等方面的

缺陷,具有重要的使用价值。徐瑞芬等2将实验室自制的抗菌纳米TiO2添加于苯-丙乳液中,经表面处理的抗菌纳米TiO2在乳液中能够均匀分散,可充分发挥纳米TiO2的杀菌作用。

纳米TiO2不但具有分解病原菌的水平,还能有效分解细菌释放出的毒素。东京大学的藤岛昭授等3在玻璃上涂一薄层TiO2,光照射3h达到

了杀死大肠杆菌的效果,毒素的含量控制在5%以下。此外,纳米TiO2本身无毒、无味、对人体安全无害,可将纳米TiO2抗菌涂料涂敷于医院

病房、手术室等场所的墙壁上,能很快消灭细菌,起到杀菌消毒的效果。

2.净化空气涂料

城市大气中氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOX)的污染,已成为环保亟待

解决的问题之一。研究表明,将纳米TiO2配制成光催化净化大气环保

涂料,利用TiO2光催化剂产生活性氧,并配合雨水的作用可将这些污染

物变成HNO3、H2SO4而除掉。

在国外,纳米TiO2光催化方面的应用得到了快速发展,日本通用汽车

公司DonaldBeek等研究纳米TiO2除去汽车废气(含H2S)中硫的水平,

在500℃的条件下经7h后从汽车废气中除去的总硫量比常规TiO2除去的量大5倍。更值得注意的是在暴露7h后,纳米TiO2除出硫的速度仍

相当高,也就是说用纳米TiO2作为涂料助剂不但有良好净化空气的效果,且使用周期长,利用价值高。

国内,利用纳米TiO2制得的净化空气涂料也相对应而生,邱星林等人4发现,采用有机硅树脂与纳米TiO2复合而成的光催化涂料在太阳光照

射条件下,可有效的降解大气中的NOx,反应如下：

TiO2+hv(E>Ebg)→e-+h+;

O2+e-→O2-(活性氧);

NO2+OH→HNO3;

NO+HO2→HNO3

杨阳等5利用纳米二氧化钛配制水性涂料,并实行紫外光催化降解空

气中的甲醛试验。试验结果表明：这种低成本的纳米二氧化钛复合涂

料能够有效地分解甲醛。林劲冬等6用Fe3+的丙酮溶液对商品锐钛型二氧化钛实行浸渍改性,制得Fe-TiO2光催化剂,将其加入硅酸钾无机

涂料体系中,得到一种光催化功能性建筑涂料。发现该功能涂料具有良好的可见光活性,能够有效而持久地在普通日光灯环境下降解甲醛。

(二)自清洁玻璃

玻璃幕墙是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法,能充分体现建筑师的

想象力,展示建筑物的现代风格。不过在大量使用的玻璃幕墙中存有着耐污性差的问题。玻璃幕墙上所粘附的污垢种类复杂,清洗难度大,而

且大量使用有机清洗剂后,易对周围环境造成二次污染,清洗废液的排

放也是难题。所以,开发具有自清洁功能的涂层玻璃成为当前研究的重点。

纳米技术赋予了自清洁玻璃的新发展,通过各种方法在玻璃表面形成

纳米级微粒和纳米级微孔结构的半导体氧化物TiO2薄膜,就制成了

“自洁”玻璃。在TiO2表面,钛原子和钛原子之间通过氧桥连接,这种结构是疏水性的。在紫外光的照射下TiO2表面的氧和羟基间发生置换,在其表面形成了均匀分布的纳米尺度分离的亲水微区和亲油微区,从而使表面具有了油水双重亲和性。光照条件下,一部分桥氧脱离形成氧空位,此时空气中的水解离并吸附在氧空位中,成为化学吸附水,即在氧空