TiO2薄膜及其掺杂薄膜的应用

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TiO2薄膜及其掺杂薄膜的应用
摘要:TiO2 是一种重要的高性能和高功能材料, 其半导体、电学、光学及光化学
特性非常突出, 长期以来一直作为一种重要的功能材料应用在各种领域。具有高
透射性的纳米TiO2薄膜材料具有高的光电转换效率、紫外线屏蔽性和红外线反
射性、较强的气体敏感性以及特殊的电致变色性, 在太阳能电池、气体敏感器等
上得到了广泛的应用。而近年来发现的基于光催化氧化作用原理的光催化性能更
使TiO2薄膜材料具有了许多独特的性能, 如高的光催化氧化性、还原性、强的杀
菌抗菌性、表面超亲油亲水双亲性等, 在环境治理、能源开发、生物医学等方面
有着广阔的应用前景。
关键词:光催化，环境，能源，生物效应
1.引言
1972年日本的Fujishima和Honda首先报道了用Ti02作为光催化剂分解水
制备氢气，此后半导体光催化材料引起了人们的广泛关注。近十几年来。半导体
光催化在环境治理、新能源开发、有机合成等领域日益受到重视。目前广泛研究
的半导体光催化剂大多数都属于宽禁带n型半导体化合物，如CdS、Sn02、Ti02、
ZnO、ZnS、W03等。其中Ti02因其化学性质稳定，光照后不发生光腐蚀，对生物
无毒性，来源丰富，氧化．还原性强等优点成为当前最有应用潜力的一种光催化
剂。在实际应用过程中，由于粉末状Ti02颗粒细小，在水溶液中易于团聚，同
时存在催化剂难以回收、活性成分损失大等问题，限制了其在一些领域的应用。
Ti02负载化既可以解决催化剂分离回收难的问题，又可以克服悬浮液催化剂稳定
性差和容易中毒的缺点。因而Ti02薄膜的制备和应用具有理论研究和实际应用
价值。本文对TiO2薄膜及其掺杂薄膜在环境治理、能源开发、生物医学等方面
的应用进行了简要的介绍与研究。
2.TiO2光催化薄膜在环境治理中应用
近年来．随着世界范围内环境问题的日益严重．利用Ti02光催化剂进行环境
净化已引起广泛的重视。当前，Ti02光催化剂的应用主要集中在以下几个方面。
2.1污水处理
工农业和生活污水中含有大量有机污染物．如卤代烃、农药、表面活性剂等，
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其中很多有毒、有害的化学物质很难通过传统的水处理方法清除。光催化降解是
一种近些年发展起来的污水处理技术，因具有能耗低、操作简单、反应条件温和、
没有二次污染等优点而备受关注。目前，有关这方面的研究日益增多，并取得了
一定成果。然而，传统的粉末光催化剂在应用中存在许多缺点，因此人们致力于
研究光催化剂的固定化、开发高效实用的光催化反应器。将金属Pt沉积在Ti0
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微粒表面制成100mg·Pt／g-Ti02复合型光催化剂。然后将该催化剂均匀喷涂于

陶瓷管内壁，30W紫外灯被竖直固定在陶瓷管的中心制成管状光催化反应器。将
该反应器用于污水处理能够有效地降解水中的苯酚、四氯乙烯、双酚A等有害物
质。而且通过增大污水流速，同时向污水中通入适量的空气，能显著提高有害物
质的降解率。
2.2废气净化
利用Ti02光催化氧化反应，可将汽车尾气中有害的NOx、SOx分解；对油烟气、
工业废气的光催化降解也有效；还可以除去室内汗臭、香烟臭味、冰箱异味等。
3.TiO2薄膜在能源中应用
由于常规能源如石油天然气和煤等化石资源的日趋枯竭，常规能源的使用造
成了极为严重的环境污染，清洁新能源的开发倍受关注，而把太阳能转化为可储
存的氢能源和电能都是解决未来能源危机的主要途径。目前市场上的太阳能电池
主要是晶体硅和非晶硅两种。这两种太阳能电池均不理想，前者的成本太高，而
后者则面临寿命短、效率低的致命弱点。
TiO2纳米薄膜具有超优的光电转化以及光催化性能,其可保证高的光电转化
量子效率又可以保证高的光捕获效率,故三维网状结构的纳米晶二氧化钛薄膜的
应用使得太阳能电池的研究进入了全新的时代。
纳米晶TiO2薄膜染料敏化太阳电池（DSSC）,具有成本低廉以及制备工艺简
单特性,故问世以来受到研究者的广泛关注,经过不断研究其光电转换效率已达
12%。
与硅太阳能电池相比DSSC的优点在于：
(1)二氧化钛和染料的材料成本都相对便宜，又可以利用印刷的方法大量制
造，基板材料也可更多元化。
(2)可以制成透明的产品，从而可应用在窗子、屋顶、汽车顶以及显示器上；
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(3)由于所使用的染料敏化剂可以在很低的光能量下达到饱和，因此可以在
各种光照条件下使用；
(4)光的利用效率高，对光线的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射
光；
(5)对光阴影不敏感；
(6)可在很宽温度范围内正常工作，允许工作温度可高达70℃ ，而硅电池的
工作性能则随温度升高而下降。
纳米太阳能电池的研究己成为光电化学领域研究的热点，但此类太阳能电池
也存在一些问题，如染料敏化剂的制备成本较高，另外，还有一个重要问题就是
目前仍旧沿用液态电解质，由于电解液泄漏，电极腐蚀，电池寿命短等缺陷，使
得以固态空穴传输材料代替液态电解质制备全固态纳米太阳能电池成为一个必
然方向。目前，虽然已有大量的研究制备出全固态电池，并取得了一定的成绩，
但由于大部分光电转换率不很理想仍需进一步深入研究。
4.TiO2薄膜的生物效应的应用
4.1生物复合涂层
钛及钛合金以其优良的比强度、耐腐蚀、以及良好的力学性能在牙科种植体、
人工关节等矫形外科方面己逐渐占主导地位，成为临床首选的生物医用材料。但
是钛及钛合金也存在诸如生物活性差、植入易产生变形等不足，需要在保证充分
利用钛及钛合金一系列优点的前提下，对其进行表而改性处理，进一步提高钛合
金的耐蚀性、耐磨性和生物相容性。最理想的是在其表面涂覆与生物体环境相匹
配的涂层，如羟基磷灰石涂层。当涂覆单一HA涂层的钛基材料植入生物体内承载
较大摩擦力时，涂层会因应力疲劳而脱落。刘杨等研究表明，通过增加TiO2过渡
层可以使脱落问题缓解。
4.2抗菌剂
抗菌是指TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。利用纳米TiO2的
光催化性可充分抑制或杀灭环境中的有害微生物，使环境微生物对人的危害降低。
由于纳米TiO2的光生电子空穴可以直接和细菌的细胞壁或内部组分发生生化反
应．使细菌灭活，所以是一种很好的抗菌材料。与常规银、铜杀菌剂不同的是，
TiO2 光催化不仅能够杀灭细菌，而且同时降解细菌释放出的有毒物质，避免了
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细菌被杀死后释放内毒素造成的二次污染。日本的TOTO公司已经将涂覆有二氧化
钛纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷商业化生产，用于医院、食品加工等场场所
Fu．jishima等研究表明纳米二氧化钛光生空穴还能有效的灭活癌细胞，有望成
为一种新型治疗癌症的医疗技术。
4.3其他生物医学方面应用
金属Ti材料常被用作牙科治疗、整形手术、心血管疾病治疗中的植入材料，
为了提高抗腐蚀能力，常在Ti表面增加一层钝化层，即TiO2层覆盖。
TiO2可以提高生物的相容性，纳米TiO2的形成能够促进整形外科和牙科移植
的骨结合，还能改善其血液相容性和组织康复。近来，制备TiO2纳米管涂层已经
被建议作为提高Ti生物活性的方法。
TiO2还可以增强细胞的粘附性。
5.结束语
开发多种功能薄膜材料是21 世纪表面工程技术的一个重要发展趋势。目前,
纳米TiO2 薄膜在化学、环保、材料领域已成为研究热点, 而在表面工程领域, 有
关这种功能薄膜材料的研究报道还不多见。纳米TiO2 光催化薄膜作为一种独特
的功能薄膜材料在许多领域有着更为实际的应用价值, 因此, 它在表面工程领
域具有很大的发展空间, 这有待于表面工程研究人员进行深入的探索。