纳米粒子的光催化机理及其抗菌效能

纳米粒子的光催化机理及其抗菌效能
二氧化钛纳米粒子的光催化机理及抗菌效率在XXXX、藤岛和本田发现，在光伏电池中二氧化钛单晶分解水后，纳米
二氧化钛的多相光催化已成为研究热点，并已广泛应用于环保、健康等领域。

研究表明，纳米二氧化钛比块体材料具有更高的光催化性能这主要是由于量子尺寸效应，这使得价带和导带成为两个独立的能级。

能隙变宽，导电势变为负，价带势变为正，从而获得更强的氧化还原能力并提高其光催化能力。

纳米二氧化钛粒径小，光生电子从晶体扩散到表面的时间短，降低了电子和空穴的复合几率，有效提高了光催化性能。

同时，纳米粒子具有大的比表面积，这增强了吸附基底的能力并促进了光催化反应。

当照射能量大于或等于二氧化钛带隙能量的光时，二氧化钛吸收光子产生电子-空穴对，电子-空穴对将电荷从溶液或气相通过禁带转移到吸附在表面上的物质。

空穴捕获粒子表面吸附物或溶剂中的电子，激活并氧化最初不吸收光的物质，并还原电子受体接收表面上的电子但同时，电子-空穴复合会发生在表面和内部，降低其光催化效率。

光生电子和空穴向被吸附的有机或无机物种的转移是电子和空穴向二氧化钛转移的结果在表面上，它提供电子来还原电子受体，通常是水溶液中的氧。

空穴迁移到表面，并与提供电子的物质结合，氧化该物质。

对于电子空穴，电荷迁移的速率和概率取决于每个导带和价带
边缘的位置以及被吸附物质的氧化还原电位。

氧化还原反应只能在受体电位低于半导体的导带电位且供体电位高于价带电位时发生。

与电荷向物种转移竞争的是电子和空穴的复合，如粒子内部的复合和粒子表面的复合。

1.4研究重点
当前的研究重点是如何提高光催化剂的量子效率如果适当的空穴或表面缺陷态可以用来捕获电子或空穴，则可以防止电子-空穴复合。

价带中的空穴是氧化剂，导带中的电子是还原剂。

大多数光催化反应利用空穴氧化剂的能量提供还原物质与电子反应。

防止电子和空穴的复合是我们研究的关键。

如何提高
1.5光催化反应是发生在固-液或固-气界面的多相反应光催化材料不仅需要很大的面积，而且还需要能够一般地接收光，所以它更适合以粉末和薄膜的形式存在。

半导体中光生载流子的氧化/还原能力取决于其能带分布和吸附质的氧化/还原电位。

只要受体电势低于(更正)半导体的导带电势，或者施主电势高于(更负)半导体的价带电势，光生载流子就可以被还原或氧化。

半导体材料的能带分布是其固有特性，但也与其结构完整性和水溶液的酸碱度等有关。

由于光子吸收与光强成正比，在弱光下，光催化反应速率随光强增加而增加，量子效率保持不变当光强增加很多时，也会加速光生载流子的复合过程，导致量子效率降低，光催化反应速度略有提高。

当在
强光下反应速度达到一定极限时，即使光强增加，反应也不会更快。

因为此时的光催化反应速率由反应物分子和O2向光催化界面的转移速率控制，并且与光强度无关。

1.6
的研究进展目前，纳米二氧化钛的可见光光催化已经取得了一些进展，主要是通过掺杂过渡金属离子和一些非金属阳离子将二氧化钛的激发带从紫外光扩展到可见光。

张金龙等人通过离子注入研究了钒离子对二氧化钛光催化性能的影响。

结果表明，钒离子掺杂使二氧化钛在可见光区具有光催化活性，在太阳光照射下具有较高的光催化活性。

严鹏飞等人发现了兴奋剂？(Fe3？1%的二氧化钛在可见光区具有较高的催化活性osna wne等人用溶胶-凝胶法制备了聚乙二醇修饰的Fe3+。

-二氧化钛薄膜，Fe3进入二氧化钛晶格？吸收边转移到可见光，甲基橙在太阳光下的降解结果表明，聚乙二醇修饰了Fe3？-――二氧化钛:薄膜的光催化活性比未掺杂的薄膜提高了2 ~ 2.5倍Wilke等人认为当二氧化钛掺杂氧化锌时，在导带和禁带之间形成了一个中间掺杂带。

当禁带电子的吸收波长大于38Onm时，光子从禁带跃迁到中间带，然后光子被吸收，从中间带跃迁到导带。

可见光的吸收波长范围扩大，从而提高光能利用率。

梁晋生等人制备了具有可见光催化作用和环境净化功能的纳米(铈、银)/二氧化钛复合材料Ohno T提出了掺杂非金属阳离子制备复合材料的新思路，并成功制备了S4。

掺杂可见光下具有强光催化活性的二氧化钛复合材料
2二氧化钛纳米粒子的抗菌效率2.1抗菌机理
纳米二氧化钛对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等有抑制和杀灭作用抗菌机理和光催化机理不同。

主要有两种。

紫外光刺激二氧化钛产生电子-空穴对，然后电子-空穴对直接或间接与细菌细胞相互作用一是孔具有很强的氧化能力，直接氧化细胞壁、细胞膜和细胞组织，导致细菌死亡。

另一种机制是光生电子或空穴首先与水或水中的溶解氧
OH或HO2反应生成活性氧物种，然后与细胞壁、细胞膜和细胞中的
组分发生化学反应目前，日本已生产出涂有纳米二氧化钛薄膜的抗菌陶瓷，并用于医院、食品加工等场所关于其在抗菌纺织品中的应用也有很多报道。

在大于带隙能量的光照条件下，电二氧化钛的电子结构表现为全价带和空导带，
个光子可以从价带激发到导带，同时在价带中产生相应的空穴。

当存在合适的捕集剂时，电子和空穴的结合被抑制，并且氧化还原反应可以在表面上发生。

空穴通常与吸附在表面的H2O或氢氧化物相互作用？离子反应形成活性羟基，并具有强氧化性，而电子吸附
？反应的氧分子，生成超氧离子(O2)超氧离子可以进一步与水反应生成过羟基
OOH)和过氧化氢(H2O2)此外，活性羟基也可以相互结合产生过氧化氢(哦？？h？哦？？
？H2O？h？哦？H
O2？e？O2
？？氧气？H2O？哦？哦？？
OOH？H2O2？O2？？哦？H2O2？e？H2O2？哦？？
H2O2？e？哦？OH
OH？哦？H2O2
活性羟基、超氧离子、过羟基和过氧化氢可与生物大分子如脂类、蛋白质、酶和核酸大分子反应，通过一系列氧化链式反应直接破坏或引起生物细胞结构
OH的广泛破坏，例如，它可攻击有机物质或其提取物H的不饱和键，引起广泛破坏通过原子，反应产生的新自由基将刺激链式反应，导致细菌蛋白质变异和脂肪分解(多肽链裂解和糖解聚)，从而杀死细菌并分解它们。

事实上，由于细菌属于单体有机大分子，光催化杀菌效果应该是细菌和二氧化钛之间的广泛相互作用，而不是像普通有机分子的光催化降解那样的简单表面反应由于活性羟基的寿命较短，不能穿过细胞膜，可能很难直接攻击细胞并破坏细胞结构，所以二氧化钛的光催化杀菌效果为
？哦，过氧化氢)由于H2O2可以穿过细菌细胞膜，物质(O2，，)不仅可以杀死细菌，还可以分解细菌死亡后释放的内毒素等脂类物质，
且存在时间长，有可能取代活性羟基成为二氧化钛光催化杀菌效果中最重要的反应介质。

当然，H2O2不能是唯一的反应物。

虽然可以通过二氧化钛光催化氧化反应和还原反应来生产，但其产量仍然很小，还需要其他活性氧物质参与。

例如，H2O2进入细菌细胞内部，并发生反应，在细菌内部产生更多氧化活性羟基。

它对细小
细菌的破坏作用将大大增强
2.2抗菌特性
2.2.1具有快速效果，
光催化反应具有强烈的杀菌效果其对大肠杆菌等的杀菌速度比银等其他无机杀菌剂快得多
二氧化钛光催化反应产生的活性羟基有402。

8(MJ/mol)反应能，高于有机物中的
化学键能，如碳-碳(83)、碳-氢(99)、碳-氮(73)、碳-氧(84)、氢-氧(111)、氮-氢(93)，能快速有效地分解有机物形成细菌，加上其它活性物质？因此，性氧物质(O2，载银无机抗菌材料)也具有很强的抗菌作用，比其他无机抗菌材料具有更快的作用效果。

我们知道细菌的生长和繁殖需要有机营养物，二氧化钛光催化产生的活性羟基可以分解这些有机营养物，抑制细菌的生长和发育，从而在很大程度上减少细菌
的数量，达到抗菌和抗菌的目的，而金属离子负载的无机抗菌材料一般不具备分解有机营养物的功能2.2.2完全杀死。