纳米TiO2自清洁性及其应用

纳米TiO2自清洁性及其应用

201240720221刘婷应化2班

摘要：由于自洁净材料具有光催化、自清洁、抗菌等功能,人们对光催化自洁净材料的研究日益关注，市场对于自清洁薄膜产品的需求也日益增加，其发展前景非常乐观。本文主要概述了纳米二氧化钛自清洁材料的机理及应用。

关键词：光催化；TiO2；自清洁；应用

1 引言

随着人类社会的发展，环境污染问题受到人们越来越多的关注，如何消除或减少工业生产对环境造成的污染已成为一个全球性的问题。TiO2能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，从空气中清除这些污染物。该项技术具有能耗低、易操作、除净度高等特点，尤其对一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去污效果，而且没有二次污染等，成为多相光催化领域的研究热点，具有广泛的应用前景。

2 自清洁机理

2.1 光催化机理

TiO2是一种n型半导体材料，有强的氧化性和还原性。在光化学反应中，以TiO2作催化剂，在太阳光，尤其是在紫外线的照射下，使TiO2固体表面生成空穴(h+)和电子(e-)。空穴(h+)使H2O氧化，电子(e-)使空气中的O2还原，使有机物氧化为CO2、

H2O等简单的无机物[1]。光催化反应的机理模式如下:

TiO2 + hγ→ e- + h+

h+ + H2O →·OH+ H+

e- + O2→·O2-

·O2-+ H+→HO2·

2HO2·→O2+H2O2

H2O2+·O2-→·OH +OH-

1.2亲水性机理

在紫外光照射的条件下，氧化钛表面的超亲水性是由于其表面的结构变化：在紫外光的照射下，氧化钛价带的电子被激发到了导带，电子和空穴向氧化钛表面迁移，在表面形成电子空穴对，电子与Ti4+反应，空穴则同薄膜表面的桥氧离子反应，分别生成Ti3+和氧空位，空气中的水分子与氧空位结合形成表面羟基,形成物理吸附水层,

其表面就会有极强的亲水性,与水的接触角减小到5°以下,甚至水滴可以完全浸润二氧化钛薄膜表面，薄膜具有的这种性质称为超亲水性。

从实际应用角度看，薄膜所处的环境是复杂多变的，涉及到温度、空气的湿度、日照时间、空气中灰尘的浓度等因素。特别是空气中的灰尘，一旦积聚在薄膜表面并形成化学结合，必将大大减弱薄膜的亲水性能。TiO2薄膜必须不断进行光催化降解而除去这些污染物，才能达到自清洁的效果[2]。

2自清洁材料的应用

在室内环境净化研究中，利用纳米TiO2的光催化性和超亲水性, 将纳米TiO2负载在墙纸、日光灯、窗玻璃上，可以除去空气中的细菌和有机污染物；经纳米TiO2负载的抗菌陶瓷用品是医院、宾馆卫生设施抗菌除臭的理想材料；将纳米TiO2掺入建筑涂料中,可以提高涂料的防水性,防污性，而且对人体和环境无任何损害。将纳米TiO2膜用于建筑材料表面时,可使建材表面具有净化空气、杀菌、除臭、防污等环保功能，大大节省保洁费用。

2.1自清洁玻璃

2.1.1自清洁玻璃的定义

自清洗玻璃是优质清洁玻璃基片镀膜后，经太阳光照射后，具有降解有机物和光诱导超亲水性，在雨水的洗刷下，能将污物松散和除去，达到玻璃表面的自洁净的玻璃[3]。

2.1.2 自清洁玻璃的机理

自清洁玻璃则是通过在玻璃表面镀制TiO2光催化涂层来实现的。该涂层在阳光中的紫外线的作用下，将其表面附着的有机物分解为H2O和无害的无机物, 使玻璃表面具有超亲水性，从而使玻璃变得易清洗、不结雾。当水在TiO2薄膜表面的接触角小于15°时具有高的水流动性，小于10°时有自清洁效果，小于7°时有防雾效果[4]。

2.2 自清洁陶瓷

在陶瓷表面涂以TiO2的途层，可以使这些材料的表面经光照后具有防污垢沉积、易洗、易干等“自洁”功能。陶瓷的表面吸附了空气中的有机物和无机物后，有机物不溶于水，形成污垢，表面变脏，且有机污垢用水很难擦洗干净。如果这些材料表面涂敷-层TiO2薄膜，利用光催化作用，可以把吸附在表面的有机物分解成CO2和H2O，剩余的无机物可以被雨水冲刷干净，这个过程就是自清洁[5]。

日本ToTo公司在世界上首先开发出具有抗菌效果的建筑卫生陶瓷。目前我国在自洁净陶瓷的研究和开发方面也已取得了明显的进展。刘平等采用改进的Sol-Gel技术制备了负载型自清洁陶瓷,考察了热处理条件和膜厚度等光催化膜制备与反应条件对自清洁陶瓷光催化活性的影响,研究结果表明,灭菌效果和油酸光降解速度取决于负载光催化膜的晶相组成、晶粒大小及其比表面积。贺飞等采用溶胶-凝胶法,在自制的陶瓷釉体表面负载粒径大小为40～100 nm的TiO2晶粒 ,形成透明均一无“彩虹效

应”的TiO2光催化薄膜型自洁功能陶瓷,具有超强亲水性和去污功能[6]。

2.3 自清洁涂料

自清洁涂料，也称自洁净涂料、光催化剂涂料等，在功能上与自清洁陶瓷或自清洁玻璃一样，利用了光催化材料的超级氧化，分解污物的能力和超亲水性。与自清洁瓷砖或玻璃不同的是，涂料可以在室温下成膜、可适用范围和场合更广、制作和运输更方便、价格更低廉[7]。

自清洁涂层能够使表面污染物或灰尘颗粒在重力、雨水、风力等外力作用下自动脱落或通过光催化降解而除去，具有节水、节能、环保等优点，在建筑、交通、新能源等行业具有重要的应用前景。近年来，它已成为先进功能涂料的研究热点。目前，基于不同的自清洁原理，已发展了两类自清洁涂层。一类是超疏水(水接触角>150°)自清洁涂层，它通过水滴滚动带走灰尘，实现类似于荷叶的自清洁功能。如在 2000 年，德国推出具有“荷叶自清洁”功能的硅树脂外墙涂料，墙面灰尘可通过雨水冲刷去除，达到自清洁效果。但现有超疏水涂层仍存在制备工艺复杂、制备面积小、力学性能差、耐油性污染物能力差等问题，缺乏实际使用价值。另一类是基于无机光催化半导体材料的自清洁涂层。在这一类自清洁涂层中，最为典型的是二氧化钛(TiO2)涂层材料[8]。

2.4 自清洁纺织品

纺织品经常洗涤容易起毛起球和变形，既影响穿着舒适性又影响美观。因此，研究与开发出一种具有光催化自清洁功能的纳米自清洁纺织产品，将具有较大的实际意义，能产生较大的经济效益与社会效益。

经过纳米自清洁整理的羊绒织物纤维表面均匀分布了大量的纳米复合粉体颗粒。由于纳米材料粒径小，表面能高，因此它能牢而提高，这是因为增加纳米整理剂浓度的同时，吸附在羊绒针织品上的纳米TiO2复合粉体将会增加，当光子照射到织物表面的时候，就会激发出更多的高活性自由移动的光生电子(e-)和空穴(h+)，生成更多的超氧阴离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH )，致使更有效地将有机油污直接氧化为CO2和H2O等无机小分子[9]。

纳米TiO2用于对织物的整理,在日光照射或其他含有紫外光的光线照射下,织物中的纳米二氧化钛产生光催化作用,具有排除灰尘、气味、细菌、色泽污迹及分解有害有机物质如甲醛等物质的功能。

2.5 自清洁绿色外墙瓷砖

外墙瓷砖在建筑上使用广泛，但其清洗维护则存在劳动强度大、环境污染重和成本费用高等问题。

绿色外墙瓷砖是指具有光催化性能和自清洁功能的环境友好型免维护外墙瓷砖，通常在普通外墙瓷砖表面通过物理或化学方法沉积一层坚硬牢固的光活性纳米二氧化钛膜层。二氧化钛膜层经过太阳光中的紫外线照射后，能够将表面附着的油污等有