二氧化钛及其应用

二氧化钛及其应用

一、二氧化钛的性质

二氧化钛（化学式：TiO₂）是白色固体或粉末状的两性氧化物，分子量为79.83。

1、晶型的性质：TiO2存在金红石型、锐钛型、板钛型等三种主要晶型。

2、光学性质：由于TiO2纳米粒子既能散射又能吸收紫外线，故它具有很强的紫外线屏蔽性。常作为防晒剂掺入纺织纤维中，超细的二氧化钛粉末也被加入进防晒霜膏中制成防晒化妆品。

3、物理性质：TiO2熔点很高，也被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。TiO2光泽度及硬度较高，具有最佳的不透明性、最佳白度和光亮度可以用作白色无机颜料、搪瓷的消光剂。TiO2具有半导体的性能对电子工业非常重要，该工业领域利用上述特性，生产陶瓷电容器等电子元器件。

4、化学性质：TiO2无毒、不溶于水或者稀硫酸，且因为化学性质稳定、不易起变化，被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料。

二、二氧化钛光催化原理

在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO2的三种晶型中板钛矿的光催化性能和稳定性最差，基本没有相关的研究和应用。金红石是常用的白色涂料和防紫外线材料，对紫外线有非常强的屏蔽作用，在工业涂料和化妆品方面有着广泛的应用。锐钛型具有更高的光催化活性能够直接利用太阳光中的紫外光进行光催化降解，而且不会引起二次污染。因此，锐钛矿是常用的处理环境污染方面问题的光催化材料。

锐钛矿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形成光生电子e-。如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。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，生成超氧自由基·O2-；而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分子氧化成羟基自由基·OH；·OH和·O2-，其氧化能力极强几乎能够使各种有机物的化学键断裂，因而能氧化绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等物质。反应过程如下：

由机理反应可知，TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。羟基自由基是含有一个未成对电子自由基，这使得它几乎能跟水中的几乎所有机污染物和大部分的无机污染物反应。它与污染物的反应速度非常快，反应速度仅仅受限于羟基自由基在水中的扩散速度。很多研究表明，羟基自由基在光催化降解的过程中起主导作用。虽然超氧自由基、单基态氧和双氧水的氧化电位低于羟基自由基，但是他们在降解的过程中也起到不可或缺的作用。TiO2光催化主要通过生成的含氧自由基与水中的污染物反应，达到降解的目的，并且最终产生对环境无害的水、二氧化碳、氮气等。

TiO2作为光催化剂它具有以下几个优点：

1、降解速度快，光激发空穴产生的·OH是强氧化自由基，可以在较短的时间内成功的分解包括难降解有机物在内的大多数有机物。降解无选择性，几乎能降解任何有机污染物。降解范围广，几乎对所有的污水都可以采用。

2、具有高稳定性、耐光腐蚀、无毒等特点，并且在处理过程中不产生二次污染；有机污染物能被氧化降解为CO2和H2O，并且其对人体无毒。

3、反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在太阳光下即可发生光催化化学反应。反应设备简单，易于操作控制。光催化反应具有稳定性，一般情况下，负载TiO2光催化剂能多次使用，不影响反应效果，催化作用持久长效。

三、二氧化钛在各领域的应用

TiO2作为一种21世纪的新型多功能材料，广泛应用于工业、食品、环境保护、医药等方面。

1、工业应用

二氧化钛是一种重要的白色颜料和瓷器釉料。也可用于油漆、油墨、塑料、橡胶、造纸、化纤、水彩颜料等行业。TiO2是世界上最白的东西，比常用的白颜料锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。

二氧化钛是电焊条表层药皮中的主要成分，它是焊药的良好的造渣剂、脱氧剂、稀释剂、粘结剂和稳定剂。用它制成的电焊条的熔渣熔点低、粘度小、交直流电均可使用，操作时点弧快、电弧稳定、脱渣容易、焊缝美观、机械性能好。

半导体二氧化钛的光化学性能已使其可用于许多领域，如空气、水和流体的净化。以碳或其他杂原子掺杂的光催化剂也可用于具有散射光源的密封空间或区域。用于建筑、人行石板、混凝土墙或屋顶瓦上的涂料中时，它们可以明显增加对空气中污染物如氮氧化物、芳烃和醛类的分解。

此外还广泛应用于生产防晒霜，无毒性，对人体无害。超细二氧化钛具有优异紫外光屏蔽性和透明性。被广泛用在化妆品、木器保护、食品包装塑料、耐久性家用薄膜、人造纤维和天然纤维、透明涂料中。

2、食品应用

美国食品药品管理局规定TiO2可以作为所有的食品白色素。色素添加剂二氧化钛可以安全用于一般着色食品中，服从下列规定：

（1）二氧化钛的数量不超过食物重量的1%。

（2）按照法令的401条所公布的特殊标准，不得使用的着色食品，除非有类似的标准允许添加色素。

（3）对于着色食品，食用的色素添加剂二氧化钛可以含有适当的稀释剂，作为安全的色素添加剂，如下：二氧化硅，作为分散助剂，含量不超过2%。

产品适应：凉果类、果冻、油炸食品、可可制品、巧克力、巧克力制品、硬制糖果、抛光糖果、胶基糖果、膨化食品、糖果巧克力制品包衣、蛋黄酱、沙拉酱、果酱、固体饮料、魔芋凝胶食品等。

3、环境保护的应用：

TiO2可以净化空气、抗菌除臭。环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等TiO2 通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。TiO2在光照下对环境中微生物有抑制或杀灭作用。TiO2光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀菌能力，同时，抑制细菌分解有机物产生臭味物质(如H2S、SO2、硫醇等)。

由于氟里昂有良好的致冷效果而被广泛应用于冰箱、空调中，但它们能消耗空气中的臭氧，同时自身不易分解，造成了严重的臭氧空洞，危害了人们的健康。而TiO2对于CFCl3的降解具有良好的光催化活性，用TiO2/WO3体系降解CFCl3，在100h内保持催化效率高于99.6%。另外，TiO2可降解某些塑料，达到消除白色污染的功能。

4、医药应用

钛白粉作为药用白色颜料，具有优异颜料性能有害杂质的含量低，适合制造不透明胶囊、片剂薄膜包衣、霜剂、药用包装材料、药用油墨，具有粒度均匀，分散性好的优点，去粒子水和明胶中分散良好，无絮凝沉淀物。

药物制剂中，可作为白色着色剂制备薄膜包衣混悬液，糖包衣和明胶胶囊剂，也可与其它着色剂混合使用，应用于皮肤用制剂，也可取代淀粉用做药物的赋型剂。

5、其他应用

TiO2具有光化学催化活性和吸收紫外线的能力，可以生产各种种催化剂（甲烷化催化剂、加氢转化脱硫催化剂）吸附剂、杀菌剂、除臭剂、防晒剂等，用它制造的催化剂载体强度高、活性好、耐高温、抗中毒性强。钛白粉还用于制造防水浆、防火浆、油布、漆布、胶布、皮革、人造革、印染色浆、肥皂、装饰板和沥青砖等。此外，二氧化钛的大单晶还可以制造人造宝石。