納米二氧化鈦的應用

二氧化鈦，俗稱鈦白，粘附力強，不易起化學變化，并且無毒。它的熔點很高，被用來制造耐火玻璃，釉料，琺瑯、陶土、耐高溫的實驗器皿等。納米TiO2在結構、光電和化學性質等方而有許多優異性能，能夠把光能轉化為電能和化學能，使在通常情況下難于實現或不能實現的反應（水的分解）能夠在溫和的條件下（不需要高溫高壓）順利的進行。納米TiO2具有獨特的光催化性、優異的顏色效應以及紫外線屏蔽等功能,在能源、環保、建材、醫療衛生等領域有重要應用前景，是一種重要的功能材料。隨著納米二氧化鈦技術的發展，其應用領域更加廣泛，這里簡要介紹其主要用途。

半導體型的氧化鈦系陶瓷實際用于空氣－燃料（A/F）比控制的傳感器。這些氧傳感器的原理是基于汽車排出氣體的氧分壓隨空氣－燃料比發生急劇的變化，同時陶瓷的電阻又隨氧分壓變化。在室溫下，氧化鈦的電阻很大，隨著溫度的升高，某些氧離子脫離固體進入環境中, 留下氧空位或鈦間隙，晶格缺陷作為施主為導帶提供電子。隨著氧空位的增加，導帶中的電子濃度提高，材料的電阻下降。多空圓片氧化鈦傳感器原件直徑4～5mm厚1mm，并埋入鉑引線或制成薄膜。

MgCr2O4－TiO2多孔陶瓷的導電性由于吸附水而增高，其導電機制是離子導電。金屬氧化物陶瓷表面不飽和鍵的存在，很容易附水（物理吸附）。但是，MgCr2O4－TiO2高溫燒結濕敏陶瓷不同于其他金屬氧化物，其表面形成的水分子很容易在壓力降低或溫度稍高于室溫時脫附，濕度響應快。對溫度、時間、濕度和電負荷的穩定性高。在實際中，已經用于微波爐的自動控制，根據處于微波爐蒸汽排氣口處的濕敏傳感器的相對濕度反饋信息，調節烹調參數。MgCr2O4－TiO2陶瓷還可以制成對氣體、濕度、溫度具有敏感特性的多功能傳感器。還可以用TiO2為粉料制成涂覆型濕敏元件。

 3防污自清潔材料

1997年，東京大學的Wang和Fujishima等人報道了紫外光誘導下TiO2薄膜超親水性的現象，即水與TiO2半導體薄膜表面接觸，當受紫外光照射后，接觸角由幾十度迅速變小，*后達到幾乎0度，這就是TiO2的超親水特性。停止光照，將TiO2在黑暗中放置一段時間，接觸角會逐步增大重新恢復到原始狀態，若 再經照射又會變成超親水狀態。 遷移到TiO2表面的光生空穴可以產生“光誘導超親水”現象，這一特性使得TiO2薄膜的研究因其具有自潔凈等多種功能，在實際生產中可制成自清潔玻璃或外墻磚。建筑物玻璃窗、交通工具的擋風玻璃及后視鏡、浴室鏡子、眼鏡鏡片、測量儀器的玻璃罩等物品，在其表面涂敷一層納米TiO2薄膜。即使空氣中的水分或蒸氣凝結，冷凝水不會形成單個水滴而是構成均勻的水膜，所以表面不會形成光散射的霧，也不會形成影響視線的分散的水滴。表面可維持高度的透明性，可確保廣闊的視野和能見度，保證車輛及交通的**。對于建筑物的外墻磚來說，一旦表面被油污等污染，由于TiO2的超親水性，污物不易在表面附著，附著的污物在外部風力，水淋沖力，自重等作用下，也會自動從TiO2表面剝離下來，不影響視線，起到自清潔的效果，陽光中的紫外線可以維持TiO2薄膜表面的親水特性，從而使其表面具有長期的防污自清潔效應。DianaV．Wellia等報道了一種C－N－F－共摻雜TiO2可見光活性涂層的自清潔作用。這種參雜二氧化鈦薄膜表現出較強的可見光吸收，并且在可見光照射下，光催化硬脂酸分解的活性是C－摻雜TiO2薄膜的5倍多。總之，納米TiO2超親水膜技術在建筑、車輛、工農業和日常生活等各方面具有廣闊的發展前景。

TiO2對紫外線具有十分優異的屏蔽作用。納米TiO2無毒、無刺激、耐水、無怪味、穩定性好，作為紫外線屏蔽劑主要應用于防曬化妝品、涂料、塑料、化纖、橡膠等方面。

（DSSC） 由于常規能源如石油天然氣和煤等化石資源的日趨枯竭，常規能源的使用造成了極為嚴重的環境污染，清潔新能源的開發倍受關注，而把太陽能轉化為可儲存的氫能源和電能都是解決未來能源危機的主要途徑。目前市場上的太陽能電池主要是晶體硅和非晶硅兩種。這兩種太陽能電池均不理想，前者的成本太高，而后者則面臨壽命短、效率低的致命弱點。三菱電機集團開發的多晶硅太陽能電池，達到目前世界*高效率19．1%。20世紀90年代才出現的光敏染料太陽能電池則有可能成為21世紀人類利用太陽能的重要工具。該產品是由透明導電基板、二氧化鈦納米微粒薄膜、染料（光敏化劑）、電解質和ITO電極所組成。一個有效率的DSSC，首先即是扮演*重要角色的工作電極，也就是TiO2電極，它必需要能提供染料吸附的表面積、電流的路徑，還必需要具有多孔性的結構來幫助電解質的擴散。由于納米TiO2粒子所組成的多孔結構，顆粒小（10～30nm）、粗糙度夠大、比表面積也大，能夠提供染料分子很充足的吸附面積，故光敏染料分子化學吸附在納米半導體TiO2表面，將提高光電陽極吸收太陽光的能力。Sharp公司的染料敏化納米晶TiO2太陽能電池，效率為10．4%。長春應化所與瑞士洛桑聯邦高工Grtzel實驗室合作，對新的高性能有機釕染料進行了標準的光伏性能評價，初步制備的電池光電轉化效率就達10．5%與硅太陽能電池相比DSSC的優點在于：

（1）二氧化鈦和染料的材料成本都相對便宜，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）可以制成透明的產品，從而可應用在窗子、屋頂、汽車頂以及顯示器上；

（3）由于所使用的染料敏化劑可以在很低的光能量下達到飽和，因此可以在各種光照條件下使用；

（4）光的利用效率高，對光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光；

（5）對光陰影不敏感；

（6）可在很寬溫度范圍內正常工作，允許工作溫度可高達70℃，而硅電池的工作性能則隨溫度升高而下降。納米太陽能電池的研究己成為光電化學領域研究的熱點，但此類太陽能電池也存在一些問題，如染料敏化劑的制備成本較高，另外，還有一個重要問題就是目前仍舊沿用液態電解質，由于電解液泄漏，電極腐蝕，電池壽命短等缺陷，使得以固態空穴傳輸材料代替液態電解質制備全固態納米太陽能電池成為一個必然方向。目前，雖然已有大量的研究制備出全固態電池，并取得了一定的成績，但由于大部分光電轉換率不很理想仍需進一步深入研究。

**是指TiO2在光照下對環境中微生物的抑制或殺滅作用。利用納米TiO2的光催化性可充分抑制或殺滅環境中的有害微生物，使環境微生物對人的危害降低。由于納米TiO2的光生電子空穴可以直接和**的細胞壁或內部組分發生生化反應，使**滅活，所以是一種很好的**材料。與常規銀、銅**劑不同的是，TiO2光催化不僅能夠殺滅**，而且同時降解**釋放出的有毒物質，避免了**被殺死后釋放內**造成的二次污染。日本的TOTO公司已經將涂覆有二氧化鈦納米膜的**瓷磚和衛生陶瓷商業化生產，用于醫院、食品加工等場所。Fu-jishima等研究表明納米二氧化鈦光生空穴還能有效的滅活癌細胞，有望成為一種新型**癌癥的醫療技術。

鈦及鈦合金以其優良的比強度、耐腐蝕、以及良好的力學性能在牙科種植體、人工關節等矯形外科方面己逐漸占主導地位，成為臨床優選的生物醫用材料。但是鈦及鈦合金也存在諸如生物活性差、植入易產生變形等不足，需要在保證充分利用鈦及鈦合金一系列優點的前提下，對其進行表而改性處理，進一步提高鈦合金的耐蝕性、耐磨性和生物相容性。*理想的是在其表面涂覆與生物體環境相匹配的涂層，如羥基磷灰石（Hydroxyapatite簡稱HA）涂層。當涂覆單一HA涂層的鈦基材料植入生物體內承載較大摩擦力時，涂層會因應力疲勞而脫落。劉楊等研究表明，通過增加TiO2過渡層可以使脫落問題緩解。

二氧化鈦光催化技術起源于20世紀70年代，當時日本的科學工作者Fujishima等和Honda在《Nature》雜志上報道了在光電池中光輻射二氧化鈦可持續發生水的氧化還原分解，這標志著多相光催化新時代的開始。隨后1976年，加拿大科學家Carey等將TiO2光催化應用于劇毒多氯聯苯的降解研究，開始了半導體TiO2光催化應用于污染治理的研究。TiO2已成為*有開發前景的綠色環保型催化劑，美國將二氧化鈦光催化技術規定為解決環境問題的優選技術。

8．1污水處理方面目前，隨著工業化、城市化的加快，全世界而臨著水資源短缺、污染嚴重的挑戰。中國尤其嚴重，是世界13個缺水國家之一。在我國南方城市總缺水量的60%～70%是由于水污染造成的。水污染降低了水體的使用功能，加劇了水資源短缺，對我國可持續發展戰略的實施帶來了嚴重的負而影響。我國水體污染主要來自兩方而，一是工業發展超標排放工業廢水，二是城市化中由于城市污水排放和集中處理設施嚴重缺乏，大量生活污水末經處理直接進入水體，造成環境污染。目前，采用無毒、快速反應、高效率降解、無二次污染的TiO2基催化劑光催化方法治理環境污染日益受到人們的重視，它在廢水凈化處理過程中發揮了巨大的潛能。染料廢水、農藥廢水、表面活性劑、氟里昂、含油廢水、含重金屬廢水等都可以被納米TiO2所氧化降解。該技術的主要優點有：降解沒有選擇性，幾乎能降解任何有機物；反應速度快，有機污染物在短時間內被完全降解生成二氧化碳和水；能耗低，反應條件溫和；沒有二次污染。

8．2氣相光催化氧化降解揮發性有機污染物方面近年來，由揮發性有機物所帶來的空氣污染問題日趨嚴重。在眾多的治理技術中，TiO2光催化降解有機污染物作為一種理想的環境治理技術倍受關注。利用納米TiO2光催化氧化技術凈化VOCs（揮發性有機化合物）具有以下特點：直接用空氣中的O2作氧化劑，反應條件溫和（常溫、常壓）；可以將有機污染物分解為CO2和H2O等小分子，凈化效果徹底；TiO2化學性質穩定，氧化還原性強，成本低，不存在吸附飽和現象，使用壽命長。*近，M．Hussain等成功地合成出一些新型的納米二氧化鈦，這些10～20nm的二氧化鈦具有較高的比表面積。與商業二氧化鈦相比，對乙烯（植物組織產生、發動機排放以及植物和**代謝所產生的一種氣體）具有更高的光催化氧化作用。

有序TiO2納米管陣列薄膜是近年來納米材料研究的熱點之一。這種材料與粉體納米TiO2薄膜相比具有更大的比表面積和更強的吸附能力。同時，由于TiO2納米管結構所具有的有序陣列結構形式，應用該材料后可以提高光生電荷的傳輸壽命并降低其復合幾率。因此這種材料在高靈敏度氣體傳感器、染料敏化太陽能電池、光解水制氫氣及生物醫療組織工程等方面呈現出重要的應用前景。鑒于能源環保等領域對高性能納米材料的重大需求，TiO2納米管陣列薄膜將引起越來越多的材料研究工作者的關注。