纳米二氧化钛行业研究报告

纳米二氧化钛行业研究报告一、简介1、普通二氧化钛二氧化钛（化学式：TiO2），白色固体或粉末状的两性氧化物，是最好的白色颜料，俗称钛白粉。

二氧化钛的主要特点为白色、无毒、性质稳定、粘附力强，熔点高，介电常数高，电导率高，其主要应用领域如下：（1）油漆中的白色颜料，橡胶塑料中的白色填料。

（2）耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。

（3）陶瓷电容器等电子元器件。

（4）食品添加剂等。

2、纳米二氧化钛纳米二氧化钛，其微粒尺寸在100纳米以下，从而产生特殊的物理化学性质变化。

纳米TiO2不仅和普通二氧化钛一样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，还具有十分宝贵的光学性质，在诸多领域都显示出美好的发展前景。

（1）光催化杀菌功能研究结果发现，在日光或灯光中紫外线的作用下使Ti02激活并生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等有机物及部分无机物。

当前，纳米TiO2以其优异的抗菌性能成为开发研究的热点之一。

A.抗菌涂料：当前解决空气污染主要有物理吸附法(活性炭)、臭氧净化法、静电除尘法、负氧离子净化法等，但是这些方法自身都有着难以克服的弊端，所以一直难以大范围地推广使用。

与其相比，利用纳米光催化TiO2净化空气则有如下优点：降解有机物的最终产物是CO2和H2O，没有其它毒副产物出现，不会造成二次污染；纳米微粒的量子尺寸效应导致其吸收光谱的吸收边蓝移，促进半导体催化剂光催化活性的提高；纳米材料比表面积很大，增强了半导体光催化剂吸附有机污染物的能力。

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，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，可净化空气、防止感染、除臭除味、有效杀灭有害细菌。

另外，TiO2用于涂料中还可提高涂料的耐老化能力。

B.抗菌陶瓷：在已制好的陶瓷成品表而镀上一层纳米无机粒子(如TiO2或TiO2掺金属离子溶胶凝胶薄膜)，再经过低温烧结，实现光催化抗菌功能。

日本市场出售的抗菌瓷砖是在上釉后喷涂含二氧化钛粉末的液体(分散液)，在800℃以上焙烧形成厚1mm以下的二氧化钛膜而制成的，此二氧化钛膜即使用海绵刷也不会擦掉，对大肠杆菌、等金黄色葡萄球菌均有良好的抗菌效果。

C.抗菌纤维：在抗菌产品中，内衣、鞋袜、手术服、护士服、绷带、尿布、床单及儿童服装等纤维制品的生产加工得到人们的关注二次世界大战中，德军由于穿用经抗菌加工的军服而减少了伤员的细菌感染抗菌纤维是将微粉（含有纳米TiO2和SiO2等)掺入天然材料、聚合物或长丝中而纺制出的，具有抗菌和除臭功能。

自1982年以来，日木相继开发出多种除臭纤维，而且新产品不断问世。

纤维中掺加纳米二氧化钛制成的产品比一般的抗菌织物具有更强的抗菌效果和更多的耐洗次数。

因而，越来越受到人们的青睐。

（2）环保A.空气净化：20世纪90年代，国际上开始尝试用光催化氧化法去除有机废气。

光催化氧化法是在正常环境下能将有机废气分解为C02、H20和无机物质，反应过程快速高效，且无二次污染问题。

在室内，在暖气、空调和制冷系统中加入纳米Ti02，能够消灭、分解或清除室内装饰材料释放的甲醛、氨气和苯等以及大气环境中常见的氮氧化物和硫氧化物，有效净化室内空气，促进人体健康。

B.水处理：纳米TiO2能有效将水中的烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、含氮有机物、有机磷杀虫剂、燃料油等很快地完全氧化为CO2、H2O等无害物质。

无机物在TiO2表面也具有光化学活性。

例如，废水中的Cr6＋具有较强的致癌作用，在酸性条件下，TiO2对Cr6＋具有明显的光催化还原作用。

在pH 值为2.5的体系中，光照1h 后，Cr6＋被还原为Cr3＋。

还原效率高达85% 。

迄今为止，已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2或ZnO而迅速降解，特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时，这种技术有着明显的优势。

德国开发出了利用阳光和光催化剂对污水进行净化的装置，每小时可净化100-150升水。

（3）防紫外线功能A.紫外线屏蔽剂：纳米TiO2既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。

纳米二氧化钛的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。

其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关：当粒径较大时，对紫外线的阻隔是以反射、散射为主，且对中波区和长波区紫外线均有效。

防晒机理是简单的遮盖，属一般的物理防晒，防晒能力较弱；随着粒径的减小，光线能透过纳米二氧化钛的粒子面，对长波区紫外线的反射、散射性不明显，而对中波区紫外线的吸收性明显增强。

其防晒机理是吸收紫外线，主要吸收中波区紫外线。

由此可见，纳米二氧化钛对不同波长紫外线的防晒机理不一样，对长波区紫外线的阻隔以散射为主，对中波区紫外线的阻隔以吸收为主。

B.化妆品添加剂：纳米二氧化钛在不同波长区均表现出优异的吸收性能，与其他有机防晒剂相比，纳米二氧化钛具有无毒、性能稳定、效果好等特点。

日本资生堂应用10-100nm的纳米二氧化钛作为防晒成分添加于口红、面霜中，其防晒因子可大SPF11-19。

纳米二氧化钛由于粒径小，活性大，既能反射、散射紫外线，又能吸收紫外线，从而对紫外线有更强的阻隔能力。

与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比，VK-T02 纳米二氧化钛在紫外区的吸收峰更高，更可贵的是它还是广谱屏蔽剂，不象有机紫外线防护剂那样只单一对UVA或UVB有吸收。

它还能透过可见光，加入到化妆品使用时皮肤白度自然，不象颜料级TiO2，不能透过可见光，造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。

利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料、纺织制品和塑料填充剂，可以替代有机紫外线吸收剂。

（4）防雾及自清洁功能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。

纳米TiO2具有很强的“超亲水性”，在它的表面不易形成水珠，而且纳米TiO2在可见光照射下可以对碳氢化合物作用。

利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层，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。

二、光催化原理和影响因素1、光催化原理半导体的能带结构通常是由一个充满电子的低能价带(valent band, VB)和一个空的高能导带(conduction band, CB)构成，价带和导带之间的区域称为禁带，区域的大小称为禁带宽度。

半导体的禁带宽度一般为0.2～3.0 eV，是一个不连续区域。

半导体的光催化特性就是由它的特殊能带结构所决定的。

当用能量等于或大于半导体带隙能的光波辐射半导体光催化剂时，处于价带上的电子(e-)就会被激发到导带上并在电场作用下迁移到粒子表面，于是在价带上形成了空穴(h+)，从而产生了具有高活性的空穴/电子对。

空穴可以夺取半导体表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸光的物质被激活并被氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。

TiO2 属于一种n 型半导体材料,TiO2 的禁带宽度为3.2 eV ,当它受到波长小于或等于387.5nm 的光线照射时，价带中的电子就会被激发到导带上，形成带负电的高活性电子e- ,同时在价带上产生带正电的空穴h+,形成电子一空穴对的氧化—还原体系。

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。

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和空穴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，而空穴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·OH自由基，·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中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等无害物质。

所以光催化降解有机物实际上是一种自由基反应。

2、影响因素（1）粒径大小二氧化钛的粒径是影响光催化活性的主要因素。

在反应物的浓度和活性中心的密度一定时，颗粒的粒径越小，表面积和体积的比值越大，颗粒吸附的·OH 自由基越多，催化活性和效率就越强。

当粒子的大小在1-100nm级时，就会出现量子效应，成为量子化粒子，使得h+-e-对具有更强的氧化还原能力，催化活性将随尺寸量子化程度的提高而增加。

另外，尺寸的量子化可以使半导体获得更大的电荷迁移速率，使h+与e-复合的几率大大减小，因而提高催化活性。

（2）光源和光强由于Ti02表面杂质和晶格缺陷影响，它在一个较大的波长范围里均有光催化活性。

因此，光源选择比较灵活，如黑光灯，高压汞灯，中压汞灯，低压汞灯，紫外灯，杀菌灯等，波长一般在250-4O0nm范围内。

应用太阳光作为光源的研究也取得一定的进展，实验发现有相当多的有机物可以通过太阳光实现降解。

有资料报道，在低光强下降解速率与光强成线性关系，中等强度的光照下，速率与光强的平方根有线性关系。

（3）溶液pH值光催化氧化反应和体系的pH值有一定的关系，一般而言随着体系的pH值的增大，反应速率提高。

但这也与被降解的有机物的结构有关。

（4）晶体结构Ti02主要有两种晶型——锐钛矿型和金红石型，两种晶型都是由相互连接的TiO6八面体组成的，每个Ti原子都位于八面体的中心，且被6个O原子围绕。

两者的差别主要是八面体的畸变程度和相互连接方式不同。

金红石型的八面体不规则，微现斜方晶，其中每个八面体与周围10个八面体相连(其中两个共边，八个共顶角);而锐钛矿型的八面体呈明显的斜方晶畸变，其对称性低于前者，每个八面体与周围8个八面体相连(四个共边，四个共顶角)。

这种晶型结构确定了它们的键距:锐钛矿型的Ti-Ti键距(3.79，3.04)，Ti-O键(l.934，1.980);金红石型的Ti-Ti键距(3.57，.396)，Ti-O键距(l.949，1.980)。

比较Ti-Ti键距，锐钛矿型比金红石型大，而Ti-O键距，锐钛矿型比金红石型小。

这些结构上的差异使得两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。

锐钛矿型Ti02的质量密度(3.894g·cm-3)略小于金红石型Ti02 (4.250g·cm-3)，锐钛矿型Ti02的禁带宽度Eg为3.3ev，大于金红石型Ti02的 (Eg为3.lVe)。