纳米二氧化钛抗菌性的研究和应用实例
陈梦露
（西南科技大学材料学院材物0901，绵阳，621010；）摘要：综述了纳米二氧化钛在各种不同条件下的高效的抗菌、杀菌作用，并阐述了在各种条件下的抗菌性的应用实例，并对应用此性能的新型材料的应用前景做出了展望。纳米二氧化钛作为新型抗菌材料，具有无毒、无味、无刺激性、热稳定性、耐热性好、长效、抗菌面广和高效杀菌等的优点，对于防止疾病传播、净化环境卫生、保护人体健康具有十分重要的意义，发展前景广阔。
关键词：二氧化钛；抗菌；纳米材料；光催化The antibacterial property of nano-TiO2 research and application examples
Menglu chen
(materials physics,materials science and
engineering,southwest university of science and technology,mianyang,621010)
Abstract: In this article, the author summarizes the different efficient antiseptic effects the nano-TiO2 has in different conditions, and elaborates the application as an antimicrobial. Nano-TiO2 photocatalysis made in bacterial breakdown and achieve the antibacterial effect. Nano TiO2 electronic structure characteristics of TiO2 for a full valence band and an empty the conduction band, in the water and the air system, in the sunshine especially under the irradiation of in ultraviolet ray, when electronic energy reaches or exceeds the bandgap can, electronic from valence band arouse to the conduction band, while in valence band produce corresponding hole, in the field of electronic and under the influence
of cavitation occurred separation, move to different position, particle surface in a series of chain reaction, eventually causes bacteria decomposition.
Keywords:TiO2;antibacteri
al;nanomaterials;photocatalytic
纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，亦称钛白粉，从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显着
变化的细小微粒的尺寸在100纳米以下，其外观为白色疏松粉末。二氧化钛有板铁矿、锐铁矿和金红石三种晶体结构，其组成结构的基本单位均是TiO
八面体，
6
八面体通过共用顶点还是共边组成骨
区别在于TiO
6
八面体共边组成，架，见图2-l。锐钛矿结构是由TiO
6
而金红石和板钛矿结构则是由八面体共顶点且共边组成。金红石、锐钛矿和铁钛矿的基本结构单元列于图2-2【1】【2】【3】。
金红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而
致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。纳米二氧化钛具有屏蔽紫外线作用强，有良好的分散性和耐候性。可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域，作为紫外线屏蔽剂，防止紫外线的侵害。也可用于高档汽车面漆，具有随角异色效应【2】。
金红石型表面上存在三种典型的原子空位，分别为晶格氧、单桥氧和双桥氧空位。光电子能谱(UPS)和IPS研究结果表明：在～6eV所对应的全充满的价带是
由O
2P
轨道组成，而空的导带由Ti的3d，4s和4p轨道
组成，Ti
3d 决定导带的较低位置。低于费米能级～0.8eV
弱的发射峰与O原子缺位所诱导的Ti
3d
派生能级有关。
锐钛矿二氧化钛与金红石相似，～0.8eV的发射峰被确定为Ti3+表面缺陷。Konstantin等人的研究则发现，
在锐钛矿TiO
2
表面发现有羟基、五配位和四配位Ti4+，T3+存在。Stelhow等人的理论计算结果表明，锐钛矿型
Ti0
2的价带主要为O
2p
和Ti
3d
轨道组成，O
2p
轨道贡献较
大，TiO
2
禁带宽度大约为10eV，但实测值大约为3.0～3.5eV【1】。。
1、对纳米二氧化钛抗菌性的研究
过去对纳米TiO
2的研究和应用都利用粉末TiO
2
的
光催化特性来降解有机污染物。但粉末光催化剂在应用中存在反应过程中必须搅拌、反应后难回收等技术难题而限制了其工业用途。为了克服这些粉末催化剂应用中所遇到的困难，使其广泛的应用于各个领域，人们开始致力于光催化薄膜的研究和应用。近年来，
TiO
2光催化薄膜得到广泛的研究，TiO
2
光催化薄膜已在
多种基材如陶瓷、玻璃、不锈钢、纤维、纸、木材、
无织布、塑料、树脂板等表面得到应用，有效利用生
透明薄膜共同组成的活空间里的微弱紫外光源和TiO
2
光催化体系已成为一个倍受关注的领域。例如:在卫生
，薄膜使其具有杀菌、消毒、陶瓷表面镀一层或多层TiO
2
易于清洗等特殊功能;使用含有纳米TiO
光催化剂的抗
2
菌涂料刷涂一些特殊场(如医院、公共场所)的墙壁，不仅可杀灭细菌，还可分解室内的有害气体。当前一
薄膜的制备，目前作些科研工作者致力于低温纳米TiO
2
者正从事这方面的研究。以前所采用的高温锻烧过程会导致晶粒长大，并且表面脱羟基过程会引起表面积和经基化程度的显着降低，而这些都会导致TiO
光催化
2
活性的降低。低温制备避免高温锻烧过程，可提高TiO
2的光催化活性;低温镀膜还可用于不耐高温的基体表
面镀膜，扩大其应用;另外，这样也有利于简化工艺、降低成本。低温制备时荡起当前制备纳米TiO2薄膜发展方向【4】。
2、二氧化钛的抗菌机理
纳米二氧化钛具有杀菌功能，紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准。在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。
纳米二氧化钛抗菌特点：
1 对人体安全无毒，对皮肤无刺激性。
2 抗菌能力强，抗菌范围广。
3 无臭味、怪味，气味小。
4耐水洗，储存期长。
5热稳定性好，高温下不变色，不分解，不挥发，
不变质。
6即时性好，纳米二氧化钛抗菌剂仅需1h就能发挥效果，而其他银系抗菌剂效果则需约24h。
7纳米二氧化钛是一种永久性维持抗菌效果的抗菌剂。
8具有很好的安全性，科用于食品添加剂等，与皮肤接触无不良影响。
纳米二氧化钛的抗菌原理：
纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧化钛的电子结构特点为一个满 TiO2的价带和一个空的导带 ,在水和空气的体系中 , 纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下 ,当电子能量达到或超过其带隙能时 ,电子就可从价带激发到导带 ,同时在价带产生相应的空穴 ,即生成电子、空穴对 ,在电场的作用下 ,电子与空穴发生分离 ,迁移到粒子表面的不同位置 ,发生一系列反应 :
TiO2 + hν e —— + h
H2O + h——·OH+ H
O2 +e——O2 ·
O2 ·+ H——HO2·
2HO2· —— O2 + H2O2
H2O2 +O2 · ——·OH+OH +O2
吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘获电子形成O2 ·, 生成的超氧化物阴离子自由基与多数有机物反应(氧化) ,同时能与细菌内的有机物反应 ,生成 CO2和H2O;而空穴则将吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成·OH,·OH 有很强的氧化能力 ,攻击有机物的不饱和键或抽取 H原子产生新自由基 ,激发链式反应 ,最终致使细菌分解。
TiO2 的杀菌作用在它的量子尺寸效应,虽然钛白粉(普通 TiO2)也有光催化作用 ,也能够产生电子、空穴对 ,但其到达材料表面的时间在微秒级以上 ,极易发生复合 ,很难发挥抗菌效果，而达到纳米级分散程
度的 TiO2 ,受光激发的电子、空穴从体内迁移到表面 ,
只需纳秒、皮秒、甚至飞秒的时间 ,光生电子与空穴
的复合则在纳秒量级 ,能很快迁移到表面 ,攻击细菌
有机体 ,起到相应的抗菌作用【2】。
3、对纳米二氧化钛抗菌性的应用
3．1抗菌塑料
纳米TiO
粉末与树脂高分子材料掺混可以制备成
2
抗菌塑料。徐瑞芬[10]制备的经表面包覆处理过的纳米
抗菌塑料具有长效广谱的抗菌性能。丁更锐钛矿相TiO
2
新用掺杂银离子的纳米二氧化钛与聚乙烯母粒掺混制
备的抗菌塑料,吹制成薄膜用于牛奶包装,能起到杀菌
保鲜作用,在冷藏条件下,可保存10d【4】。
3.2抗菌涂料
利用二氧化钛的光催化性和超亲水性，将纳米
TiO
掺入建筑涂料中，可以提高涂料的防水性，防玷2
污性。纳米二氧化钛粉体对紫外线有很好的屏蔽能力，
故纳米二氧化钛改性涂料的耐候性增强。有关专家认
为，采用新技术研制出的纳米 TiO
改性涂料与传统涂
2
料相比，对人体，环境无任何伤害【1】。
粉末添加于苯丙配液中可制备成抗菌将纳米TiO
2
涂料,是值得大力推广的一种绿色环保材料。纳米TiO
2抗菌涂料,杀菌作用彻底持久,而且在室内自然光、日光灯甚至黑暗处微光条件下,也能起到较强的杀菌效果,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢的杀菌率均可达到90%以上【6】。
3.3抗菌陶瓷
在20世纪80年代末，美国、日本等工业发达国家在医院、餐厅、高级住宅等地率先使用了抗菌卫生陶瓷。他是在已制好的陶瓷成品上涂上一层纳米无机分子薄膜（二氧化钛薄膜），在经过低温烧结，在光照下就可实现光催化抗菌、一直陶瓷表面细菌的繁殖。若要实现在微光下杀菌的作用，金额在二氧化钛浆料中添加银、铜离子化合物【9】。
涂覆有TiO
纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷在日本
2
已进行了工业化生产。主要用于医院、食品加工等场
所[5],但抗菌效果受到了光源条件的限制。为了充分利用室内的太阳光和弱光,人们又积极开发了新型的抗
薄膜的自清菌陶瓷。刘平[6]制备的表面镀有纳米TiO
2
洁陶瓷,在无光照条件下,15min内对金黄色葡萄球菌的灭菌率超过80%。钱泓[7]制备的TIO2抗菌陶瓷,在普通荧光灯下,对金黄色葡萄球菌的灭菌率可达以85%。抗
薄膜涂覆于玻璃( 如日用玻璃器皿、平菌玻璃纳米TiO
2
板装饰玻璃等) 表面,可制成有杀菌功能的玻璃制品,广泛应用于医院、宾馆等大型公共场所。雷阎盈[8]制备的TiO
微晶膜玻璃,具有杀菌广谱高效的特点。自然光
2
照射30min后,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的杀菌率均达到90%以上【4】。
3..4抗菌不锈钢
纳米TiO
薄膜涂覆于不锈钢表面可制备成具有杀
2
菌性能的不锈钢,在食品工业、医疗卫生乃至一般家庭
都有广泛的应用前景。汪铭[9]制备了涂覆有Ag+/TiO
2
薄膜的抗菌不锈钢,与普通不锈钢相比,其材料性能基本相同,抗菌性能随着膜层中含银量的增加而提高。当含银量大于2%时,不锈钢的抗菌率可达到90%以上【4】。
3.5新型抗菌荧光灯
日立制作新开发了具有抗菌作用的新型荧光灯，并于1997年商品化。这种灯寿命长，节省能量，应用前景广阔。该灯表面涂上了光催化杀菌剂
TiO2，能分解灯表面的油渍、空气中的菌类异臭等【2】。
3.6水处理
污水处理要把水中的有害物质、悬浮物、泥沙、细菌、病毒、异味、色素等污染物从水中去除。传统水处理方法占地大，投资高，耗电大，效率低，运行费用高，并且还有二次污染，所以污水处理问题一直得不到理想解决，纳米科技的发展和应用解决了这一难题。
纳米二氧化钛催化可直接利用太阳光、紫外光、彻底分解有机或无机的有毒污染物，通过纳米粒子的光催化作用，可以完全矿化、氧化成无害的CO2，H2O无二次污染，经我们对造纸厂、印刷厂、酒精厂、化工厂、食品厂、生物制药厂、农药厂等污水的降解处理结果显示，60分钟COD的降解率达90%以上，完全可以达到C0D低于100以下的国家污水排放标准【2】。
纳米技术对氮氧化合物的降解和污水中有机
物的降解都已显示出巨大的威力，甚至是其他传统技术难以替代的，纳米二氧化钛对污水处理无残留，杀菌面广，效力强，无腐蚀，无刺激，无毒，不受有机污物，水质硬软，PH、温度等影响，而且是长效的。
美国得克萨斯大学研究人员利用TiO2和太阳光进行灭菌。他们将大肠杆菌和TiO2混合液在大于380nm的光线照射下，发现大肠杆菌以一级反应
动力学方程被迅速杀死。这种技术有可能成为目前用氯化方法水处理的代用技术【2】。
3.7气体净化
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。纳米二氧化钛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【2】。
3.8有机废水的处理
纳米TiO2复合材料对有机废水的处理，效果十分理想。以TiO2为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化-还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质杭州万景新材料有限公司采用新型纳米二氧化钛载银复合催化剂，对印染和精炼废水生化处理后的出水进行深度处理，光照120min
后，印染和精炼废水的CODcr去除率分别为75.3%和83.4%。经研究表明，在太阳光照射下用多孔纳米TiO2薄膜处理水溶液中的敌敌畏有很好的效果。除此之外，纳米TiO2还可有效地用于含CN—的工业废水的光催化降解【2】。
3.9处理无机污水
除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时，能够捕获表面的光生电子而发生还原反应，使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+，从而起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水的无机重金属离子【2】。
4、对纳米二氧化钛新型材料的应用前景的展望
据科技日报2004年11月7日报道：“多组分纤维针织品内衣无机/有机负荷纳米抗菌制品”通过上海
市科委的技术鉴定。该产品可抗百次洗涤而效果不降，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的24h杀菌率大于99.99%，并对人畜无害。这对保护人类健康、减少疾病以及在军事领域应用具有十分重要的意义。
纳米TiO2因其具有的特殊的物理、化学性质及其广阔的应用前景，而应用纳米二氧化钛做成的新型材料具有无毒、无害、毒人体伤害刺激小的特点，必将拥有巨大的市场需求。尽管在我国纳米TiO2的市场刚刚形成，但是随着纳米产品的普及以及人们消费观念的改变，以及纳米技术和对纳米TiO2产品应用的不断深入、市场的不断规范和发展，纳米TiO2必将迎来广阔的市场发展空间并带来巨大的社会和经济效益【5】。
随着科学水平的飞速发展和人们生活水平的提高，人们对将抗的要求越来越高，人们对将抗卫生的要求也越来越高，纳米二氧化钛这一优良的光催化剂在消毒杀菌方面更是有着有人的应用前景，它将适用于各种要求抗菌、防污的场合【8】。
参考文献
【1】胡少华；《新型环境材料—纳米二氧化钛》
[D]；化学与材料科学学院；2007
【2】《纳米二氧化钛》；百度文库
【3】《纳米二氧化钛的及其应用》；百度文库【4】佚名，《纳米二氧化钛抗菌材料与研究与应用进展》
【5】佚名，《纳米二氧化钛的发展前景》[D];2009年
【6】张健，吴全兴；《纳米二氧化钛的研究进展》[J]；稀有金属快报；2005年；第24卷第3
期
【7】熊建裕，《纳米二氧化钛光催化的研究》[D]；
华中科技大学；2005
【8】徐丽丽，綦晓峰，陈玉清；《纳米二氧化钛抗菌材料的研究与应用进展1》[J]；山东陶
瓷；2007年；第30卷第5期；1-7
【9】Laisheng Li ,Wangpeng Zhu etc;
《Carbon-black-modified nano-TiO2 thin
films》[D];Tsinghua University;2003【10】范林；《纳米二氧化钛（钛白粉）粉体的制备及应用》[J]；中国粉体工业，2006年；第2
期
收稿日期；2011-4-21；修改日期：2011-4-21
材料学《第二课堂》课程论文题目：TiO2半导体纳米材料姓名： 学号：
目录 1. 课程设计的目的 (1) 2. 课程设计题目描述和要求 (1) 3. 课程设计报告内容 (1) 3.1 TiO2半导体纳米材料的特性 (1) 3.2 TiO2半导体纳米材料的制备方法 (3) 3.3 TiO2半导体纳米材料的表征手段 (3) 3.4 TiO2半导体纳米材料的发展现状与趋势 (4) 4. 结论 (5)
1.课程设计的目的 本课程论文的主要目的是论述TiO2半导体纳米材料，通过简要概述TiO2半导体纳米材料的特性、制备方法、表征手段及发展现状与趋势等相关方面的内容。通过这次课设，了解TiO2半导体纳米材料，巩固课堂上所学的有关纳米材料的有关知识，提高自己应用所学知识和技能解决实际问题的能力。 2．课程设计的题目描述及要求 课程设计的题目：TiO2半导体纳米材料 TiO2半导体纳米材料由于它具有不同于体材料的光学非线性和发光性质,在未来光开关、光存储、光快速转换和超高速处理等方面具有巨大的应用前景。本文就TiO2半导体纳米材料的主要制备方法与表征手段做一全面总结。 3.课程设计报告内容 3．1 TiO2半导体纳米材料的特性 1、光学特性 TiO2半导体纳米粒子(1～ 100 nm ) [2]由于存在着显著的量子尺寸效应, 因此它们的光物理和光化学性质迅速成为目前最活跃的研究领域之一, 其中TiO2半导体纳米粒子所具有的超快速的光学非线性响应及(室温) 光致发光等特性倍受世人瞩目。通常当半导体粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时, 随着粒子尺寸的减小, 半导体粒子的有效带隙增加, 其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移, 从而在能带中形成一系列分立的能级[1]。 2、光电催化特性 1）TiO2半导体纳米粒子优异的光电催化活性 近年来, 对纳米TiO2半导体粒子研究表明: 纳米粒子的光催化活性均明显优于相应的体相材料。我们认为这主要由以下原因所致: ①TiO2半导体纳米粒子所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立的能级, 能隙变宽, 导带电位变得更负, 而价带电位变得更正。[1]这意味着TiO2半导体纳米粒子获得了更强的还原及氧化能力, 从而催化活性随尺寸量子化程度的提高而提高[5]。 ②对于TiO2半导体纳米粒子而言, 其粒径通常小于空间电荷层的厚度, 在离开粒子中心L距离处的势垒高度可以表述为[1]: 公式（1） 这里LD是半导体的Debye 长度, 在此情况下, 空间电荷层的任何影响都可忽略, 光生载流子可通过简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面而与电子给体或受体发生还原或氧化反应。计算表明: 在粒径为1Lm 的T iO 2 粒子中, 电子从体内扩散到表面的时间约为100n s, 而在粒径为10 nm 的微粒中只有10 p s。因此粒
1、（锐钛型二氧化钛与金红石型二氧化钛）的区分 1.1 方法 利用X射线衍射仪得到XRD图谱进行分析 1.2用到的仪器 X射线衍射仪 X射线产生原理： 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高 1.2.1 X射线管的结构 阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。 阳极：又称靶，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag, W等)，使电子突然减速并发射X射线。阳极需要水强制冷却。 窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收 较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片 X射线管中心焦点
在X射线衍射中，总希望有较小的焦点（提高分辨率）和较强的X射线强度（缩短爆光时间）。 一般采用在与靶面成一定角度的位置接受X射线，这样可以达到焦点缩小，X射线相应增强的目的。 1.2.2 X射线特点
1.2.3理论基础：布拉格方程 1.2.4具体方法 用X射线衍射分析法中的粉末法来分析两种结构。 只有满足Bragg方程，才能产生衍射现象，因此用粉末法对测定的晶体样品，不改变λ,要连续改变θ。： ?用单色的X射线照射多晶体试样，利用晶体的不同取向来改变θ,以满足 Bragg方程。试样要求：粉末，块状晶体。 ?特点：试样容易获得，衍射花样反映晶体的全面信息。
粉末法：由于多晶体由无数取向无规的单晶组成，相当于单晶绕所有取向的轴转动，晶体内某等同晶面族{HKL}的倒易点，形成－相应倒易矢量ｇＨＫＬ为半径的倒易球。一系列的倒易球与反射球相交，其交集是一系列园，则相应的衍射线束分布于以样品为中心、入射方向为轴、上述交线园为底的园锥面上。 1.2.5 两者结构分析 晶胞结构的不同 金红石型二氧化钛及锐钛型二氧化钛结晶类型均为正方结晶，前者为R型，后者为A型。金红石型二氧化钛晶格结构致密，比较稳定，光化学活性小，因而耐久性由于锐钛型二氧化钛。另外，金红石型二氧化钛晶体结构是细长的成对的孪生晶体，每个金红石晶胞含有2个二氧化钛分子，以两个棱相连，这比锐钛型二氧化钛八面体的形式体积更小、结构更密，因而硬度和密度增大，介电常数和导热性增加，所以耐候性好，不易粉化 (a)金红石型 (b)锐钛型 金红石型和锐钛型晶胞中TiO2分子数分别是2和4。晶胞参数分别是：金红石型a：4．593A，c=2．959A；锐钛型a=3．784A，c=9．515^。金红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮
课程名称：化工新材料概论姓名：邓元顺 学号：1208110201 专业：化学工程与工艺班级：化工122
浅析纳米材料的发展及应用 摘要：纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义是指纳米颗粒构成的固体材料， 其中米颗粒的尺寸最多不超过100nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1-100nm）限制的各种固体超细材料。【2】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命等方面的重要作用和应用前景。 Abstract：Nanometer material is the abbreviation of nano structured materials.The narrow sense refers to the solid material of nano particles, in which the size of the meter particles is not more than 100nm. Generalized refers to a variety of solid ultrafine materials which are limited by nano scale (1-100nm) in the one-dimensional direction at least in one dimension.. Nanotechnology is the most promising technology in the world today. Nano materials in mechanics, magnetism, electricity, heat, optics and life and so on the important role and the application prospect. 关键词：纳米材料纳米技术发展应用 前言：纳米材料和纳米结构无论在自然界还是在工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然纳米结构，只不过在透射电镜的应用以前人们没有发现而已。在工程方面，纳米材料80年代初发展起来的，纳米材料其粒径范围在1—100nm之间，故纳米材料又称超微晶材料。它包括晶态、非晶态、准晶态的金属、陶瓷和复合材料等。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子，纳米材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异，具有奇特的力学、电学、瓷学、光学、热学及化学等多方面的性能，从而使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。目前已受到世界各国科学家的高度重视。美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划；日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术；英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破；我国的自然科学基金“863”计划、“793”计划以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目。【1】美国科学技术委员会把“启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心” 一、纳米材料的发展史 1965年诺贝尔物理学奖获得者、美国加利福尼亚工学院教授费曼(R.P.Feynman)曾在1959年预言：“如果有一天可以按照人的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米二氧化钛的应用 纳米二氧化钛作为一种高效、无毒的光催化剂，在环保领域的应用越来越 受到人们的广泛关注和重视。抗菌材料纳米TiO2以其优异的抗菌性能成为开发研 究的热点之一，以期应用于水处理装置、医疗设备、食品包装、建材（如抗菌地砖、抗菌陶瓷卫生设施、抗菌砂浆、抗菌涂料等）、化妆品、纺织品、日用品以及家用电器等各个领域。1、气体净化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。大气污染气体，主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化合物。利用纳米TiO2的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷TiO2光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备，均可有效地降解污染物，净化室内空气。利用纳米TiO2开发出来的一种抗剥离光催化薄板，可利用太阳光有效去除空气中的NOx气体，而且薄板表面生成的HN03可由雨水冲洗掉，保证了催化剂活性的稳定。2、抗菌除臭抗菌是指纳米TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。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能力。当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时，2被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质(如H2S、SO2、硫醇等)。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。3、处理有机污水工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物，尤其是工业污水中含有大量的有毒、有害的有机物质，这些污染物用生物处理技术很难消除。许多学者对水中有机污染物光催化分解进行了系统的研究，结果表明以TiO2为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质。4、处理无机污水除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时，能够捕获表面的光生电子而发生还原反应，使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+，从而起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水的无机重金属离子。5、防雾、自清洁功能TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。阅读会员限时特惠 7大会员特权立即尝鲜 如果把高层建筑的窗玻璃、陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。 6、抗菌塑料 在日常生活中人们是离不开塑料制品的，如卫生间设施、桌面、垃圾箱、厨房用具、家用电器的塑料外壳、食品包装袋等等，由于温度、湿度合适，非常容易滋生感染细菌。因此!，对此类材料进行抗菌处理是极其必要的。 徐瑞芬等【2】 利用纳米TiO2作为无机抗菌剂，研制抗菌广谱长效的功能塑料。结果表明：采用锐钛矿
纳米TiO2的制备方法 1 前言 20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。 二氧化钛俗称钛白，是钛系最重要的产品之—，也是一种重要的化工和环境材料。纳米二氧化钛由于其具有粒径小、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而倍受关注，制备和开发纳米二氧化钛已成为国内外科技界研究的热点之一。 日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2，总生产能力估计在(6000～10000)t/a，单线生产能力一般为(400～500)t/a。根据莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销售量仅为1800t左右，其消费量与产品应用见表1。近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态。主要原因是目前国际上公认的纳米TiO2制备和应用技术还有待于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面：①国际上纳米TiO2的价格为(30～40)万元/t，其成本大致是销售价格的2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；②纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；③金红石型纳米TiO2的表面处理技术；④纳米TiO2应用分散技术；⑤纳米TiO2应用功能的提升技术；⑥纳米TiO2产业化成套技术。由于以上条件的制约，使得纳米TiO2的应用和发展受到限制 1.1制备方法介绍 1.1.1溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是一种较为重要的制备纳米材料的湿化学方法，主要包括4个步骤［1］：第一步，胶溶。Ti(OR)4与水不能互溶，但与醇、苯、等有机溶剂无限混溶，所以先配制Ti(OR)4的醇溶液（多用无水乙醇），再配制水的乙醇溶液，并向B中添加无机酸或有机酸作水解抑制剂（负催化剂），也可加，将A 和B按一定方式混合、搅拌得透明溶胶。第二步，溶胶凝一定量NH 3 胶转变制湿凝胶。第三步，使湿凝胶转变成干凝胶。第四步，热处理。将干凝胶磨细，在氧化性气氛中在一定温度下热处理，便可得到<100nm的TiO 。 2
纳米二氧化钛光催化性能的测试 一、实验导读 1.半导体光催化剂 半导体介于导体和绝缘体之间，在未激发的具有能带结构的半导体电子结构中，大多数电子处于价带内，而导带内则因能级较高处于电子缺乏状态。导带和价带的过渡区称为带隙或禁带，其能量之差被称为能隙或禁带宽度，用E g表示，E g的大小代表了价带电子跃迁至导带的难易程度。纳米TiO2等半导体的主要特征——宽禁带的存在，其优异独特的电、磁、光学等性质的表现也是由于它的存在而导致的。 宽禁带半导体其价带上的电子一旦受到一个具有高于其禁带宽度能量hv 的光照射后，能使其分子轨道中的电子(e-)离开价带(VB)跃迁到导带(CB)上，并在价带上产生相应的光生空穴(h+)，同时在导带上形成光生电子(e-)。在电场的作用下，两者发生分离，纳米半导体粒子因其尺寸很小，光激发产生的电子和空穴很快到达纳米粒子表面，导致原本不带电的粒子表面的二个不同部分出现了极性相反的二个微区——光生电子和光生空穴。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，与吸附在催化剂表面的污染物分子发生氧化还原反应。 跃迁到导带上的电子和价带上的空穴可能重新复合，并产生热能或以辐射方式散发掉。但是当半导体光催化剂存在表面缺陷、合适的俘获剂、或者电场作用等因素时，电子和空穴的合并就得到了拟制。同时纳米半导体粒子所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变为分立的能级，能隙变宽，使其电子-空穴对具有更正的价带电位和更负的导带电位，因而具有更高的氧化能力和还原能力。而且粒子越小，电子和空穴达到粒子表面的速度越快，电荷分离效果越好，电子与空穴复合几率反而越小，从而提高了纳米半导
浅谈纳米二氧化钛 纳米二氧化钛(Ti0 2 )是一种重要的无机功能材料，由于其粒子具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等性质；其晶体具有防紫外线、光吸收性好、随角异色效应和光催化等性能；而且它的耐候性、耐用化学腐蚀性和化学稳定性较好，因此纳米二氧化钛被广泛应用于光催化、太阳能电池、有机污染物降解、涂料等领域。但纳米二氧化钛也有一定的局限性，可在纳米二氧化钛中添加合适的物质（如树脂、聚苯胺、偶联剂、氟碳树脂等），对其进行改性。 1. 纳米TiO 2的制备（纳米TiO 2 溶胶） 纳米TiO 2的制备方法一般分为气相法和液相法。由于气相法制备纳米TiO 2 有诸多缺点如:能耗大、成本高、设备复杂等，且条件苛刻,大大限制了其发展。液相法主要包括水解法、沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、微波感应等离子体法等制备技术。而液相法能耗小、设备简单、成本低,是实验室和工业上广泛使用的制备方法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂，在此仅介绍用溶胶-凝胶法制备纳米TiO 2 溶胶。 溶胶一凝胶法制备纳米TiO 2：是以钛的醇盐Ti(OR) 2 ，(R为-C 2 H 5 、-C 3 H 7 、-C 4 H 9 等烷基)为原料。其主要步骤为：钛醇盐溶于溶剂中形成均相溶液，以保证钛醇盐的水解反应在分子均匀的水平上进行，由于钛醇盐在水中的溶解度不大，一般选用醇(乙醇、丙醇、丁醇等)作为溶剂；钛醇盐与水发生水解反应，同时失去水和失醇缩聚反应，生成物聚集成1nm左右的粒子并形成溶胶；经陈化、溶胶形成三维网络而成凝胶；干燥凝胶以除去残余水分、有机基团和有机溶剂，得到干凝胶；干凝胶研磨后煅烧，除去化学吸附的羟基和烷基团，以及物理吸附的有机溶剂和水，得到纳米TiO 2 粉体。因为钛醇盐的水解活性很高，所以需添加抑制剂来减缓其水解速度，常用的抑制剂有盐酸、醋酸、氨水、硝酸等。但在制备过程中要注意加水方式、水量、pH值、溶剂量、反应温度、拌速度等因素对凝胶形成的影响。
一、文献调研部分（获取综述的参考文献—精读全文）1．利用中文（期刊、学位论文、会议论文）数据库，检出中文切题题录（批量），选择记录文摘格式10篇（其中学位论文要求不少于2篇、期刊论文6篇）； [1]叶灵. 纳米材料的应用与发展前景[J]. 科技资讯. 2011(20) 摘要: 很多人都听说过"纳米"这个词,但什么是纳米,什么是纳米技术,可能很多人并不一定清楚。着名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾经预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。 [2]赵雪石. 纳米技术及其应用前景[J]. 适用技术市场. 2000(12) 摘要: 纳米技术在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的前景,使得纳米技术成为目前科学研究的热点之一,被认为是21世纪的又一次产业革命。 [3]何燕,高月,封文江. 纳米科技的发展与应用[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版). 2010(02) 摘要：纳米科技是21世纪的主导产业,世界各国把纳米科技的研究和应用作为战略重点。在第五次科学技术革命中,新材料家族被推上新一轮科技革命的顶峰。在新材料和新技术中,纳米材料和纳米技术无疑将成为核心材料和核心技术。纳米技术的最终目标是直接操纵单个原子和分子,制造新功能器件,从而开拓人类崭新的生活模式。文章概述了纳米科技的发展过程及纳米材料的性质与制备,介绍了纳米技术在部分领域的应用,并简述了纳米技术对未来社会的巨大影响及潜在的、令人鼓舞的发展前景。 [4]何彦达. 纳米材料的应用及展望[J]. 科技风. 2010(01) 摘要：纳米材料(尺寸在1-100纳米范围内)又称超细微粒、超细粉末,是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,其结构既不同于体块材料,也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它拥有一系列新颖的物理和化学特性,在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。 [5]樊东黎. 纳米技术和纳米材料的发展和应用[J]. 金属热处理. 2011(02) 摘要：<正>2005年12月在克利夫兰召开了由美国金属学会和克利夫兰纳摩网主办的美国纳米技术应用峰会。许多实体企业,如波音、福特、通用、洛克希德、蒂姆肯等公司高管出席会议和发言。会议的特点是着重于纳米。 [6]张桂芳. 纳米材料应用与发展前景概述[J]. 黑龙江科技信息. 2009(16) 摘要：由于独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,以下概述了纳米材料的应用与发展前景。 [7]杨萍. 多功能复合纳米材料的制备及其光分析应用研究[D]. 中国科学技术大学 2012 摘要：纳米材料具有独特的化学、物理和生物性能,引起了人们的极大关注。多功能复合结构纳米材料能够将不同功能的纳米材料整合到一个纳米器件中,从而为现代工业、生物医学
纳米TiO2的制备及其改性和应用研究进展 摘要：简要介绍了TiO 纳米材料的制备、改性方法及其应用； 2 其制备方法包括气相法和液相法,液相法又包括溶胶-凝胶法、水热/溶剂热法、液相沉积法和微乳液法；其改性主要包括贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化和半导体复合；其应用领域则主要包括光催化、光伏电池和光解水。 关键词：二氧化钛；纳米材料；制备；改性；应用 前言 俗称钛白粉,无毒、无味、无刺激性,热稳定性好,且原料TiO 2 来源广泛易得。它有三种晶型:板钛矿、锐钛矿和金红石型。TiO 2 电极光最早用来做涂料。自从1972年Fujishima 等[1]发现用TiO 2 催化分解水现象之后TiO 纳米材料的研究受到了极大的关注。包 2 纳米材料的性括纳米颗粒、纳米棒、纳米线和纳米管在内的TiO 2 质、制备和改性方法及其在光催化、光伏电池、光电化学电池等领域的应用得到了广泛的研究。 在二十世纪早期，二氧化钛就已经被广泛应用于颜料、防晒霜、涂料、药膏、牙膏等领域中，而自从1972年Fujishima发现二氧化钛电极在紫外光照射下可以光解水制氢以来，二氧化钛的光催化性能得到了广泛的研究，目前已经在光电性能和光催化净化环境方面开发了很多实际的应用。作为一种光催化材料，二氧化钛在净化污染和保护环境方面被认为是最有潜力的一种材料，众所周知二氧化钛的量子产率是由光致电子与空穴的产生与复合决定的，而二氧化钛的颗粒大小与几何结构则会直接影响光致电子与空穴的运动变化，具有较小的晶粒大小一般来说会提高二氧化钛的光学性能。因此，通过制备均匀细小的二氧化钛纳米颗粒以及对二氧化钛进行改性如：掺杂、半导体复合、表面贵金属修饰和有机染料敏化等方法，都可以提高二氧化钛的光催化性能，使其满足现代生活中各种不同的需求。本文将重点介绍通过掺杂的方法对二氧化钛纳米颗粒进行改性。 1 TiO2纳米材料的制备方法 TiO 纳米材料的制备方法很多,大体可以分为气相法和液相2 法。 1.1 气相法
纳米二氧化钛的制备综述 摘要综述了纳米二氧化钛的多种制备方法和原理，比较和评述了不同方 法的优缺点。 关键词纳米二氧化钛；制备方法；原理 纳米材料以其特殊的性能和广阔的发展前景引起众多科学家们的广泛关注。纳米材料是指微粒几何尺寸在1nm～l00nm范围内的固体材料。纳米粒子是处于微观粒子和宏观粒子之间的介观系统。纳米材料以其独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子效应等性质，而呈现出许多奇异的物理、化学性质，使其在众多领域具有特别重要的应用价值和广阔的发展前景。纳米二氧化钛TiO2是当前应用前景最为广阔的一种纳米材料，它是当前众多纳米材料中的“明星”。我国对纳米二氧化钛的研究已经进入产业化开发与生产阶段，其制备手段可分为物理和化学两大类。本文就采用化学方法制备纳米二氧化钛的一些方法进行总结，并对不同方法的优缺点进行比较和评述。 一气相法 1．气相合成法 气相合成法是一种传统方法。1941年德国Degussa公司率先采用气相四氯化硅氧焰水解制备自炭黑(纳米级的二氧化硅)。在20世纪80年代中后期，气相氢氧焰水解法(Aerosil法)制备纳米级TiO2开始被应用于工业生产中。其生产过程是将精制过的氢气、空气和氯化物(TIC14 )蒸汽以一定的配比进入水解炉高温水解，温度控制在18000C以上，生成TiO2的气溶胶，经过聚集冷却器停留一段时间即形成絮状大颗粒的TiO2，再经过脱酸炉脱酸(吸附在TiO2表面的HC1)后，从而得到产品，其生产原理如下： Ti+2CI4 = TiC14 TiC14 +2H2+ O2 = TiO2 + 4HCI Aerosil法的优点是：原料TiC14获得容易，可挥发，易水解，易提纯，产品无需粉碎，物质的浓度小，生成粒子的凝聚少，气相产物TiO2的表面整洁、纯度高，易控制粒径颗粒分布集中，可得到不同比表面或不同晶型的系列产品。2．气相沉积法 化学气相沉积法可沉积金属、碳化物、氧化物、氮化物、硼化物等，能在几何形状复杂的物件表面涂敷，涂层与基底结合牢固，此方法发展非常迅速。 魏培海以1200C Ti(OC4H9) 为源物质，将一定流量的氮气通入其中进行鼓泡，并作为载气将Ti(OC4H9)带入TiO2反应器，同时将一定量的氮气通入反应器，应用金属气相沉积(MOCVD)方法沉积TiO2薄膜。当基底物质维持在4000C时，在基底表面发生下列反应：Ti(OC4H9)+24 O2=TiO2+16CO2+18 H2O TiO2分子沉积在基底表面，形成金红石型的TiO2薄膜，膜的厚度可通过调节反应时间来控制，此膜具有较强的光响应性能及稳定性，平带电位与溶液的pH值有关，是较理想的光电化学修饰材料。李文军等也以Ti(OC4H9) 为原料，氧气作反应气体，高纯氮作载体，采用低压MOCVD法在单晶硅基片上制备了TiO2薄膜。通过控制基片温度制成不同构型的TiO2。孙顺明应用自制设备及MOCVD 技术，分别在高掺杂硅片和有透明导电膜玻璃的基片上生长了TiO2薄膜。另外，
锐钛矿TiO2转变为金红石TiO2机制和性能 摘要：TiO2 是多相光催化研究中使用较多的一种材料。其在自然界存有3种不同的晶型：锐钛矿、金红石、板钛矿相。锐钛矿相转变为金红石相的过程是扩散相变。金红石是热力学稳定相, 锐钛矿是亚稳相, 并且从锐钛矿相到金红石相的相变是亚稳相到稳定相的不可逆相变。而煅烧时间与煅烧温度会影响其晶型的转变。在众多影响光催化性能的因素中，晶型是较为重要的一个因素。 关键字：锐钛矿、金红石、TiO2、相变、光催化 光催化降解是一门新型的并正在迅速发展的科学技术。研究表明，在适当的条件下，许多有机物污染物经光催化降解，可生成无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物。目前，在光催化降解领域所采用的光催化剂多为N型半导体材料, 如TiO2、ZnO、Fe2O3、SnO2、WO3和CdS 等, 其中TiO2以其无毒、价廉、稳定和特殊的光、电性能等优点倍受人们青睐，成为最受重视的一种光催化剂[1]。 1.二氧化钛的结构 近年来, TiO2纳米材料制备、表征及改性一直是光催化研究领域的重点。同一种半导体可能具有不同的晶型，晶型的不同实际上就是组成物质的原子不同的空间构型有序的排布。二氧化钛是白色粉末状多晶型化合物, 自然界有锐钛矿型, 金红石型和板钛型三种晶 型结构, 但板钛型二氧化钛极不稳定且无实用价值[2]。所以目前的研究一般都主要为金红石相及锐钛矿相。TiO2晶体基本结构是钛氧八面体( TiO6)。钛氧八面体连接形式不同而构成锐钛矿相、金红石相和板钛矿相。锐钛矿型和金红石型均属于四方晶系，二者均可用相互连接的Ti06八面体表示，但八面体的畸变程度和连接方式各不不同。板钛矿型属正交晶系，一般难以制备，目前研究很少。如图1所示，金红石型（a）的八面体不规则，微显斜方晶；锐钛矿(b)呈明显的斜方晶畸变，对称性低于前者。从图2[3]中可以看出锐钛矿TiO2的Ti-Ti键长比金红石大，而Ti-O键比金红石小。 TiO2晶体基本结构——钛氧八面体有两种连接方式。如图3所示,分别为共边连接与共顶角连接。从图4[4]中可以看到锐钛矿中每个八面体与周围8个八面体相联(四个共边，四个共顶角)。金红石中的每个八面体与周围10个八面体相联(其中两个共边，八个共顶角)。 图1 金红石、锐钛矿和板钛矿的TiO6八面体结构
纳米二氧化钛 一、简介 纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，屏蔽紫外线作用强，有良好的分散性和耐候性。可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域，作为紫外线屏蔽剂，防止紫外 线的侵害。也可用于高档汽车面漆，具有随角异色效应。 纳米级二氧化钛，亦称钛白粉。物理性质为细小微粒，直径在100纳米以下，产品外 观为白色疏松粉末。具有抗线、抗菌、自洁净、抗老化性能，可用于化妆品、功能纤维、 塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。 纳米二氧化钛主要有两种结晶形态：锐钛型（Anatase）和金红石型（Rutile）。金 红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、密度、介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧 化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。 二、分类 1.按照晶型可分为:金红石型纳米钛白粉和锐钛型纳米钛白粉。 2.按照其表面特性可分为：亲水性纳米钛白粉和亲油性纳米钛白粉。 3.按照外观来分：有粉体和液体之分，粉体一般都是白色，液体有白色和半透明状。 三、功能 纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中、锂电池中。 1.、杀菌功能 在光线中紫外线的作用下长久杀菌。实验证明，以0.1mg/cm3浓度的锐钛型纳米TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催
纳米材料的研究内容及进展 摘要 纳米科技是在80年代末，90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科技领域，也是21世纪最 前沿，最富有活力的学科领域之一，是继信息技术和生物技术之后，又一深刻影响人类和社会经济发 展的重大技术，它的迅猛发展将在新世纪影响到几乎所有的工业领域，有些甚至产生革命性的变化。 关键词：纳米材料研究内容进展 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速必然对材料 提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越 小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此 基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对发展、振兴、国力增强最有力的战略领域，纳米 材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米科技研究的深入发展和产业化的迅速推进对高水平研发人 员和高级技术人才提出了越来越迫切的需求，世界发达国家已经在全面部署纳米科技的教育，以期为 形成现实生产力做准备。 一纳米材料的研究内容 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米中最为活跃、最接近的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方某时400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新，提出新概念，建立新，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。 进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米Cu的决体材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒为7urn的Pd，屈服应力比粗晶Pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望，纳米金属间化合物 FqsAJZCr室成果的转化，到为止，已形成了具有自主知识产权的几家纳米粉体产业，睦次鹦米氧化硅。氧化钛、氮化硅核区个文的易实他借个缈阳放宽在纳米添加功能陶瓷和结构陶瓷改性方面也取得了很好的效果。 二纳米材料的研究进展 根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（NSF）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国DARPA（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近匕年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如 Ogala计划、ERATO
纳米二氧化钛 纳米二氧化钛，粉体作为化妆品的物理防晒添加剂，具有化学性质稳定、无刺激性、无致敏性、全面防护紫外线等优点。 Titanium dioxide is a light-sensitive semiconductor, and absorbs electromagnetic radiation in the near UV region. The energy diff erence between the valence and the conductivity bands in the solid state is 3.05 eV for rutile and 3.29 eV for anatase, corresponding to an absorption band at < 415 nm for rutile and < 385 nm for anatase。 简介 产品技术指标：TiO2%≥99.3% 粒径：15～50nm 物性数据 柔软，无嗅无味的白色粉末，遮盖力和着色力强，溶点1560～1580℃。不溶于水、稀无机酸、有机溶剂、油，微溶于碱，溶于浓硫酸。遇热变黄，冷却后又变白。 金红石型（R型）密度4.26g/cm3，折射率2.72。R型钛白粉具有较好的耐气候性、耐水性和不易变黄的特点，但白度稍差。 锐钛型（A型）密度3.84g/cm3，折射率2.55。A型钛白粉耐光性差，不耐风化，但白度较好。近年来发现纳米级超微细二氧化钛（通常为10～50 nm)具有半导体性质，并且具有高稳定性、高透明性、高活性和高分散性，无毒性和颜色效应。 概述： 纳米二氧化钛粉体作为化妆品的物理防晒添加剂，具有化学性质稳定、无刺激性、无致敏性、全面防护紫外线等优点。 纳米二氧化钛粒经约10-50nm，具有十分宝贵的光学性质。由于它的透明性和防紫外线能力高度统一，在防晒护肤、轿车面漆、高档涂料、油墨、塑料、精细陶瓷等方面获得了广泛的应用。同时它又是一种重要的半导体材料，各国都在投巨资争相研制，国际市场价20-25万元/吨。 纳米二氧化钛 一、纳米TiO2基本情况
云南化工Yunnan Chemical Technology Apr.2018 Vol.45，No.4 2018年4月第45卷第4期 半导体光催化材料能够直接利用太阳光将水中的有机污染物降解为无毒的二氧化碳和水，且不造成二次污染，受到人们广泛关注。TiO2半导体光催化材料因其具有良好的化学稳定性、高效的光催化效率以及无毒无害、环境友好和生产成本低等优点倍受人们的青睐。为充分利用太阳光降解各类污染物，提高TiO2光催化性能，使其能够在实际应用中充分发挥自身的优势，研究人员对TiO2光催化材料进行改进，结果表明掺杂对于TiO2光催化过程中存在的禁带宽度大、量子产率低、光催化活性低等缺点有显著的改善，但也各自存在着一些不足。文章就近年来TiO2掺杂改性方面的最新研究进展进行综述。 1 金属掺杂[1] 于晓彩等[2]在TiO2中掺杂Li+，研究发现，掺杂Li+能明显提高TiO2的结晶度，从而提高了样品的光催化性能。当Li+掺杂量为5%时，样品为锐钛矿型和金红石型的混合晶型，有效提高了可见光的利用率以及光催化活性。谭昌会等[3]采用溶胶-凝胶法制备了Al3+掺杂TiO2光催化剂，研究其对亚基蓝污染物的降解率，研究表明，当Al3+掺杂量为1%时，降解效率最佳。晁显玉等[4]制备了纳米Cu2+/TiO2光催化剂，研究其对头孢类污染物阿莫西林的降解效率。发现Cu2+掺杂，有效提高了对紫外线的吸收性能，提高了光能的利用率。Cu2+/TiO2光催化剂光吸收范围的扩展程度优于Fe3+/TiO2光催化剂[5]。 2 非金属掺杂 Sato等[6]率先开始了非金属掺杂TiO2光催化剂的研究，他们从氧化氮气体中分解出了氮气，并且把它导入了TiO2。王志宇[7]等采用水热法制备了S掺杂 TiO2光催化剂，研究了其在可见光下对甲基橙的降解率，结果表明，S的掺杂有效拓展了 TiO2的吸收光谱至可见光区，有效提高了其在可见光区的光催化性能。夏勇[8]等制备了N/TiO2光催化剂，研究发现氮掺杂使TiO2的吸收带发生明显红移，在自然光照下，120min时降解率为95.4%。 3 稀土离子掺杂 镧系稀土元素具备独特的电子结构、光学性质以及活泼的化学活性，在对TiO2的能带结构、晶体结构以及光吸收性能等方面进行改性时，稀土元素是一个理想的选择。刘丽静[8]利用溶胶-凝胶法制备了Dy3+掺杂TiO2复合光催化剂，发现掺杂少量稀土离子能细化晶粒，同时具有良好的热稳定性。徐晓虹等[9]制备了Y3+掺杂TiO2纳米粉体，研究表明，掺杂Y3+有效降低了禁带宽度，发生红移现象，且光催化记得平均粒径随着掺杂量的增加而减小。薛寒松等[10]合成了Ce3+掺杂TiO2纳米管，通过与未掺杂TiO2纳米管相比，光催化效果明显提高。光照150min后，甲基橙的降解率超过了80%。 4 共掺杂 近年来，多种与非金属共掺杂 TiO2引起人们的研究兴趣。刘元[11]等采用Fe3+-Ce4+复合掺杂改性 TiO2光催化剂处理真丝产品的印染废水，结果表明，Fe3+-Ce4+共掺杂TiO2光催化剂处理后废水去色率为 98.7%，COD去除率为70%，比单一元素的改性处理工艺更加有效。江鸿等[12]合成了Fe、N共掺杂的TiO2纳米粉体，其对可见光的响应范围明显大于纯TiO2，禁带宽度减少至2.74 eV，使其在可见光下的催化活性显著提高。双元素掺杂比单元素掺杂优越，是因为双元素掺杂克服了单一元素掺杂中总速率仍为较慢的界面反应所控制的弊端，使两个界面反应的速度同时加快保证了整个光催化反应的加快和完善，对污染物种类多，含有毒成分的废水有着良好的处理效果。 5 展望 随着人们对改性纳米 TiO2光催化材料研究的深入，制备出了不同离子掺杂的改性纳米 TiO2 光催化材料，改善了最初二氧化钛光催化材料催化效率低、太阳光光谱利用率低等问题。但是，改性纳米 TiO2 光催化材料在一定程度上仍然无法避免光催化剂制备工艺复杂、成本高、易于团聚等问题。因此，深入理论探讨、优化反应工艺，制备出低密度、光利用率高的催化剂成为当今研究的重点和热点。同时，降低粒子尺寸，提高重复利用率等也成为亟待解决的问题。 参考文献： [1] 王瑶,武志刚.银掺杂多孔氧化钛制备、表征及光催化性能探 究[J].山东化工,2016,45(7):17. [2] 于晓彩,徐晓,金晓杰,等.Li+-TiO2复合纳米光催化剂制备及 其光催化降解海产品深加工废水的研究[J].大连海洋大学学 doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2018.04.004 改性二氧化钛纳米材料的研究进展 韩金轩，甘子萱，白美玲，毕 菲 （吉林建筑大学，吉林 长春 130118） 摘 要：TiO 2 半导体光催化材料因其具有良好的化学稳定性、高效的光催化效率以及无毒无害、环境友好和生产成本低等优点倍受人们的青睐。为在实际应用中充分发挥TiO2的优势，研究人员对TiO2光催化材料进行改进，金属，非金属，稀土元素等多种化学成分和物质都被用于TiO2的掺杂改性。文章就近年来TiO2掺杂改性方面的最新研究进展进行综述。 关键词：TiO 2 ；光催化材料；离子掺杂；改性 中图分类号：X703；TB33 文献标识码：B 文章编号：1004-275X（2018）04-006-02 ·6·