纳米二氧化钛的性质及应用进展

纳米二氧化钛的性质及应用进展

牙膏工业2006年第3期

纳米二氧化钛的性质及应用进展

李志军王红英

(深圳职业技术学院工业中心518055)

摘要:纳米二氧化钛微粒具有大的比表面积,其表面原子数,表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,由于其尺寸的

细微化,表现出独特的物理和化学特性,导致纳米二氧化钛微粒的热,光,敏感特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子,这

就使其在环境,信息,材料,能源,医疗与卫生等领域有着广阔的应用前景.综述了纳米二氧化钛的性质,并介绍了近年来纳

米二氧化钛的应用研究发展动态.

关键词:纳米粉体二氧化钛性质应用

纳米微粒是指颗粒尺寸在I—lOOnm的超细微

粒.由于纳米微粒具有了量子尺寸效应,小尺寸效

应,表面效应和量子隧道效应,因而展现出许多特有

的性质,在催化,滤光,光吸收,医药,磁介质及新材

料等方面具有广阔的应用前景.纳米二氧化钛因其

具有粒径小,比表面积大,磁性强,光催化,吸收性能

好,吸收紫外线能力强,表面活性大,热导性好,分散

性好,所制悬浮液稳定等优点,因此倍受关注,制备

和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热

点….本文将介绍纳米二氧化钛的一些基本性质

及其主要的应用研究进展.

1纳米TiO的基本结构

二氧化钛是金属钛的一种氧化物,其分子式是

TiO.根据其晶型,可分为板钛矿型,锐钛矿型和金

红石型三种.其中锐钛矿型TiO属于四方晶系,其晶格参数仅0=37.85nm,C0=95.14nm.图1为

两种晶型单元结构图.锐钛矿型TiO的单元结

构中钛原子处于钛氧八面体的中心,其周围的6个氧原子都位于八面体的棱角处,有4个共棱边,也就是说,锐钛矿型的单一晶格有4个TiO分子.锐

钛型TiO的八面体呈明显的斜方晶型畸变,Ti—O 键距离均很小且不等长,分别为I.937×10.m和1.964×10.11'1,这种不平衡使TiO分子极性很强, 强极性使TiO表面易吸附水分子,使水分子极化而形成表面羟基.

这种表面羟基的特殊结合使其表面改性成为可

●Ti

oO

金红石型

(a)(b)

图1TiO2的两种晶型单元结构图[.】

能,它可作为广义碱与改性剂结合,从而完成对TiO2的表面改性.

2纳米TiO的表面性质

2.1表面超亲水性

目前的研究认为,在光照条件下,TiO表面的

超亲水性起因于其表面结构的变化.在紫外光照射下,TiO价带电子被激发到导带,电子和空穴向

TiO表面迁移,在表面生成电子空穴对,电子与

Ti反应,空穴则与表面桥氧离子反应,分别形成正三价的钛离子和氧空位.此时,空气中的水解离吸附在氧空位中,成为化学吸附水(表面羟基),化学

吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附

层.

2.2表面羟基

相对于其它颜料的金属氧化物,TiO中Ti—O

健的极性较大,表面吸附的水因极化发生解离,容易形成羟基.这种表面羟基可提高TiO作为吸附剂

及各种载体的性能,为表面改性提供方便.

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及各种载体的性能,为表面改性提供方便.

2.3表面酸碱性

二氧化钛(俗称钛白)用于涂料时,其表面酸碱

性与涂料介质密切相关.在改性时常加入AJ,Si,zn 等氧化物,Al或Si的氧化物单独存在时无明显的酸碱性,但与TiO:复合,则呈现强酸性,可以制备固体超酸.因此,加入其它金属氧化物改性时,可以形成新的酸碱点.MoO.一TiO:表面有较强的酸性,而ZnO:一TiO:表现出明显的碱性.

2.4表面电性

钛白在干粉状态通常带有静电荷,钛白颗粒在

液态(尤其是极性的)介质中因表面带有电荷就会

吸附相反的电荷而形成扩散双电层,使颗粒有效直径增加.当颗粒彼此接近时,因异性电荷而相斥,有利于分散体系的稳定.经A1:0.包膜的钛白表面具有正电荷,而用SiO:处理的钛白带负电荷.经硅铝

复合包膜的钛白,当重量比AJ:0./SiO:>1时,带正电荷,当重量比A1:0./SiO:<1时,带负电荷.调整Al:0./SiO:的重量比比例,可改变钛白在不同介质

中的分散性.

3纳米TiO2的应用

纳米二氧化钛是一种重要的无机材料,被广泛

应用于涂料,化汝品,抗菌剂,污水处理等方面.下

面介绍纳米二氧化钛的几种主要用途.

3.1光化学作用

当二氧化钛受到彼长小于387.5nm的紫外光

的照射时,价带上的电子跃迁到导带,激发电离出电子的同时产生正电性的空穴,形成电子一空穴对,与吸附溶解在其表面的氧气和水反应.分布在表面的空穴将OH一和H:0氧化成HO自由基.HO自由基的氧化能力是在水体中存住的氧化剂中最强的,能氧化大部分的有机污染物和无机污染物,而且对反应物几乎无选择性,在光催化氧化中起着决定性的作用.二氧化钛表面电子具有高的还原性,可以去

除水体中的金属离子.生成的原子氧和氢氧自由基使有机物被氧化,分解,最终分解为CO:,H:0和无

机物.其反应过程如下(其中,h代表正电性的空

穴,e一为光激发电子,?OH是氢氧根自由基,OH一为氢氧根离子,?O是带负电的氧原子自由基, HO:?是反应中间体):

TiO2三h++e-(1)

h+H20?OH+H(2)

h+OH一?OH(3)

e-+0:一.o三Ho:.(4)

2HO2?H202+02(5)

H202+.O?OH+OH一+02(6)

Organ(有机物)+?OH+02CO2+H20+

其他产物(7)

M"(金属离子)+ne一一M.(金属离子)(8)