纳米TiO_2自清洁材料的研究进展_刘太奇

纳米 T iO 2自清洁材料的研究进展

刘太奇 1, 操彬彬 1, 2, 王 晨 1

(1 北京石油化工学院 环境材料研究中心 , 北京 102617; 2 北京化工大学 材料科学与工程学院 , 北京 100029)

摘 要 :由于自洁净材料具有光催化 、 自清洁 、 抗菌等功能 , 人们对光催化自洁净材料的研究日益关 注 。 本文主要概述了纳米二氧化钛自清洁材料的机理及应用 , 并介绍了国内外自清洁材料的研究现状及 发展趋势 。

关键词 :T iO 2; 自清洁 ; 光催化

中图分类号 :T G 74 9 文献标志码 :A

Research Development in Nano TiO 2Self -cleaning Materials

L IU T aiqi 1, CAO Binbin 1, 2, WA N G Chen 1

(1. R esear ch Center of Ecomater ial, Beijing Institut e o f Petr ochemical T echnolo gy , Beijing 102617, China;

2. Colleg e o f M ater ials Science and Eng ineer ing, Beijing U niv ersity of Chemical T echnolo g y, Beijing 100029, China) Abstract:Self -cleaning materials hav e att racted much attentio n in recent years due to their unique characters such as photo cataly st ic, self -cleaning and ant ibacter ial effects. T he ov er view of the mechanism and applicat ions of nano titanium d-i o xide self -cleaning materia ls wer e presented, and the r esea rch status and new development of self -cleaning mater ials wer e mainly intro duced in this paper.

Key words:T iO 2, Self -cleaning , Pho tocatalystic

自清洁材料 (Self -cleaning m aterials) 是指在自 然条件下能保持自身清洁的材料 , 材料本身具有除 臭、 抗菌、 抗霉、 防污等多重功能。光催化材料制备 技术逐渐趋于成熟 , 从而给这种新材料的研制开发 创造了很好的机会。 TiO 2的光催化特性自 20世纪 70年代由日本东京大学的藤岛昭 [1]教授首 次发现 以来 , 得到了广泛的研究和应用。特别是纳米 TiO 2的活性高、 稳定性好、 持续作用时间长以及对环境无 害 , 更成为近年新材料领域的研究热点。

自洁性纳米 T iO 2不仅具有良 好的双亲和性 , 而且能够杀灭细菌等微生物 , 使污物不易附着在其 表面 , 即使附着也是和外层水膜结合 , 附着污物在外 部风力、 水 淋冲力、 自 重等作 用下 , 能自 动从纳 米 TiO 2表面剥离下来。自然光中的紫外线足以维持 纳米 TiO 2表面的亲水特性 , 从而使其具有 长期的 自洁去污效应。

1 自清洁机理

1 1 光催化机理

光催化降解主要是指在光参与的条件下 , 发生 在光催化剂及其表面吸附物之 间的一种光化 学反 应。具体机理如下。

纳米二氧化钛为 n 一 型半导体 , 从理论上讲 , 只 要半导体吸收的光能不小于其禁带宽度 , 价带上的 电子 (e 一 ) 就可以被激发跃迁到导带 , 在价带上产生 相应空穴 (h +) , 二氧化钛表面空穴 (h +) 可与表面上 的 H 2O 发生作用 , 生成具有极强氧化能力 OH 高 活性基团。其过程如下 :

T iO 2+h e -+h +

h ++OH OH

h ++H 2O OH +H

OH 基团是具有极强氧化还原能力的高活性 基团 , 反应能为 402 8MJ/mo l, 高于有机化合物中 的各类化学键能 , 因此可以引发绝大多数有机污染 物发生氧化反应 , 最终氧化生成 CO 2和 H 2O 等无 机小分子。

1 2 亲水性机理

在通常情况下 , 二氧化钛薄膜表面与水有较大 的接触角 , 但当 T iO 2表面受到紫外线照射时 , 二氧 化钛的价带电子被激发到了导带 , 分别生成 T i 3+和 氧空位 , 空气中的水分子与氧空位键合形成表面羟 基 , 形成物理吸附水层 , 其表面就会有 极强的亲水 性 , 与水的接触角减小到 5 以下 , 甚至水滴可以完 全浸润二氧化钛薄膜表面 , 薄膜具有的这种性质称 为超亲水性。

2 自清洁材料的研究及应用

在室内环境 净化研究中 , 利用纳米 T iO 2的光 催化性和超亲水性 , 将纳米 TiO 2负载在墙纸、 日光 灯、 窗玻璃上 , 可以除去 空气中的细菌 和有机污染 物 ; 经纳米 T iO 2负载的抗菌陶瓷用品是医院、 宾馆 卫生设施抗菌除臭的理想材料 ; 将纳 米 TiO 2掺入

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