【正文】 0 min內(nèi)殺滅了水中的微生物。 納米TiO2光催化氧化殺菌具有顯著的優(yōu)點:無需昂貴的氧化試劑，空氣中的氧就可作為氧化劑；而二氧化鈦催化劑價格低廉，無毒，化學(xué)及光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；自然光中的紫外光就可作為光源激發(fā)催化劑， 因此無需能源， 系統(tǒng)維護(hù)費用低；氧化還原反應(yīng)無選擇性，可以殺滅大多數(shù)的微生物。而這些正在興起的家庭裝修和豪華家居所使用的涂料、油漆、泡沫填料等材料中含有甲醛、苯、氨氣等有機(jī)污染氣體高達(dá)300多種，這些氣體從涂料和家居中逐漸散發(fā)出來，對人的身體造成了極大的傷害【l】。前三種方法不能從根本上清除污染物，光催化涂料能直接利用包括太陽光在內(nèi)各種途徑的紫外光，在室溫下對各種有機(jī)或無機(jī)污染物進(jìn)行分解或氧化，使之成為C02和H20等，達(dá)到清除這些污染物的效果。納米Ti02是一種重要的半導(dǎo)體金屬氧化物，通常存在3種晶體形式：銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型【４】，其中應(yīng)用最為廣泛的是銳鈦礦型和金紅石型。如在涂料工業(yè)領(lǐng)域，通過在涂料中加入納米Ti02，可達(dá)到光催化分解污染物及殺死細(xì)菌的目的。用納米Ti02處理后的化纖也具有雙親性能，用這種化纖制作的衣服、窗簾和帳篷等也能起到自潔作用，不需使用化學(xué)洗滌劑，降低了污水的排放量。將這種材料的高光催化活性和超親水性相結(jié)合應(yīng)用于玻璃、陶瓷等建筑材料，在軍工及民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。而從廣義上來說，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料。 一維，指空間有兩維均處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等。 三維，指納米晶粒結(jié)構(gòu)組成的塊材。 小尺寸效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng)。 介電限域效應(yīng)。隨著納米材料的研究進(jìn)展，研究內(nèi)涵不斷拓展，如今納米材料科學(xué)不僅涉及納米顆粒、超薄膜、納米管，而且涉及無實體的納米空間材料，如微孔和介孔材料，有序納米結(jié)構(gòu)及其組裝體系等。 R. W. Siegel將納米結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域劃分成四部分（圖1—1）:分散與涂層、高比表面積材料、功能納米器件及塊體材料這四個領(lǐng)域都不可避兔地涉及納米粉體的分散和表面改性納米顆粒的均勻分散是各種材料改性后性能能否得到提高的關(guān)鍵，采用各種納米粉體表面改性技術(shù)，可以使納米粉體的表面和基體具有兼容性。 化妝品在化妝品行業(yè)，納米粉體的分散技術(shù)具有極高的商業(yè)價值，因為化妝品的顏色和耐光度都是通過組分的混合而調(diào)制出來的。 醫(yī)療和藥物表面改性后代納米磁性氧化鐵顆粒用于可控藥物運輸。另外，由于納米顆粒小，可以減少藥物劑量 紙張、涂料將一定濃度的納米氧化硅分散到紙漿中，可使表面更加光滑、潔白。 塑料改性將分散好的納米顆粒均勻地添加到樹脂材料中，可增強(qiáng)塑料性能的作用。高絕緣性能的玻璃鋼。如納米SiO2顆粒對A12O3,Zr0的增強(qiáng)增韌。 Ti02納米涂料的研究現(xiàn)狀 Ti02光催化自清潔效應(yīng)【３】包括兩個方面：一是利用涂料的光催化性能，經(jīng)太陽光照射發(fā)生氧化一還原反應(yīng)，使表面生成具有氧化性極強(qiáng)的羥基，將附著在外墻、玻璃表面的有機(jī)物以及微生物、細(xì)菌分解；二是利用涂料經(jīng)太陽光照射后，表面具有超親水性，這樣雨水沖刷時不會形成雨痕，而是平鋪在材料表面，并將表面的污物沖刷干凈，從而達(dá)到自清潔的作用．并且具有防霧功能。但是Ti02用作光催化劑有兩大缺陷：它是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，只能用紫外光激發(fā)，而太陽光中紫外線的含量不到5％，故太陽能利用率較低；光生電子空穴對容易復(fù)合，這在很大程度上降低了其光催化效率。沉積貴金屬之所以能改善光催化劑的活性，是因為金屬與Ti02具有不同的費密能級。當(dāng)二者接觸時．電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，從費密能級高的Ti02轉(zhuǎn)移到費密能級低的金屬，直到二者費密能級相匹配。目前，常見的沉積貴金屬有Pt、Pd、Au等。Hyung等人則認(rèn)為Ag的附載只能提高Ti02在可見光下的催化活性，對于Ti02在紫外光下的光催化效果提高不是很明顯。楊昕宇等人也采用溶膠—凝膠方法制備Ag摻雜Ti02，摻雜Ag的摩爾濃度為lmo1/L、2mo1/L、5mo1/L，利用XID對Ag不同摻雜濃度的Ti02的晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。 柳清菊等【14】人采用溶膠一凝膠法及浸漬提拉法在普通的載玻片上制得含不同摻銀量的Ti02薄膜，通過對薄膜及相應(yīng)粉體的XRD、XPS及薄膜致密度的測量，分析了銀的摻雜量對Ti02薄膜親水特性的影響。 摻入金屬離子改善Ti02光催化性能的機(jī)理：金屬離子摻雜可以在半導(dǎo)體晶格中引入空穴位置或改變結(jié)晶度等，從而影響電子一空穴對的復(fù)合，提高對可見光的利用率。常見的摻雜金屬元素有Fe、cr、Ni、Co、Zn、Cd等。 王軍等【７】人以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，采用溶膠一凝膠法制備Fe—Ti02納米光催化劑，并用純Ti02和Fe—Ti02做光催化劑，對甲基橙溶液在紫外光下進(jìn)行光催化降解試驗。陳麗瓊掣【8】人制備了摻銀的納米Ti02光催化改性涂料，研究結(jié)果表明該涂料在可見光下去除有機(jī)物性能突出，％％，而且可大大降低VOC、甲醛、重金屬等有害物質(zhì)含量。 稀土元素具有豐富的能級和4f電子躍遷特性，易產(chǎn)生多電子組態(tài)，其氧化物具有多晶型、熱穩(wěn)定性好以及吸附選擇性強(qiáng)等特點。 非金屬摻雜不僅能夠增強(qiáng)其可見光相應(yīng)能力，而且能保持紫外區(qū)光催化活性。常見的非金屬摻雜元素有雜N、S、C、F等【9】。納米Ti02用于環(huán)境友好型材料發(fā)展的一個重大研究方向，因為Ti02具有較高的光催化效率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無毒性。銳鈦礦結(jié)構(gòu)是由TiO6八面體共邊組成，而金紅石和板鈦礦結(jié)構(gòu)則是由八面體共頂點且共邊組成。 圖21 TiO6結(jié)構(gòu)單元的 圖22 基本結(jié)構(gòu)單元 板鈦礦和銳鈦礦是TiO2的低溫相，金紅石是TiO2的高溫相。金紅石型TiO2有很強(qiáng)的遮蓋力和著色力，且對紫外線有較強(qiáng)的屏蔽作用，銳鈦礦型TiO2的光催化活性最高。光電子能譜(UPS)和IPS研究結(jié)果表明：在6eV所對應(yīng)的全充滿的價帶是由O2P軌道組成，而空的導(dǎo)帶由Ti的3d，4s和4p軌道組成，Ti3d決定導(dǎo)帶的較低位置。銳鈦礦二氧化鈦與金紅石相似，～+表面缺陷。Stelhow等【１】人的理論計算結(jié)果表明，銳鈦礦型Ti02的價帶主要為O2p和Ti3d軌道組成，O2p軌道貢獻(xiàn)較大，TiO2禁帶寬度大約為10eV，～。板鈦型是不穩(wěn)定的晶型，在650℃時會直接轉(zhuǎn)化為金紅石型。它不能用合成的方法來制造，在工業(yè)上沒有實用價值。納米TiO2有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、無毒性、非遷移性，完全可與食品接觸。 納米TiO2晶體的光學(xué)性質(zhì)服從瑞利（Rayleigh）光散射理論，能透過可見光及散射波長更短的紫外光，表明這種粒子具有透明性和散射紫外線的能力，普通TiO2具有一定的吸收紫外線的能力。由于TiO2納米粒子既能散射又能吸收紫外線，故它具有很強(qiáng)的紫外線屏蔽性。當(dāng)將納米TiO2顆粒涂覆于金屬表面或作光陽極與金屬相連時，在紫外光照射下，TiO2顆粒的價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上的光生電子會向金屬轉(zhuǎn)移，使金屬的電極電位降低而達(dá)到防銹目的。當(dāng)作為防銹填料用于涂料中時，會對涂層的成膜樹脂產(chǎn)生分解破壞的作用，因此需要對化學(xué)法制備的納米TiO2粉體或溶膠進(jìn)行包覆改性。 TiO2光催化性傳統(tǒng)的Ti02作為一種常用的化工原料，因其卓越的顏色性能被廣泛地用作顏料、涂料、油墨和紙張的增白劑。納米TiO2問世于20世紀(jì)80年代后期，由于其粒徑很小、比表面積大、界面原子所占比例大而具有更為獨特的性能。納米Ti02正是以其特有的性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景引起了人們的普遍關(guān)注，對它的制備、性能展開了深入的研究并且不斷地開發(fā)出了含有納米Ti02的各種產(chǎn)品。其機(jī)理如圖11所示，在光照條件下，如果光子能量達(dá)到或超過其帶隙能時，其價帶電子被激發(fā)躍遷進(jìn)入到導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶上產(chǎn)生帶負(fù)電的高活性電子，在價帶上留下帶正電荷的空穴。光致空穴有很強(qiáng)的得電子的能力，可奪取半導(dǎo)體顆粒表面有機(jī)物或溶劑中的電子，而電子受體則通過接受表面上的電子被還原。通常認(rèn)為空穴對有機(jī)物的氧化分解是通過羥基自由基(OH)完成的。從上述反應(yīng)式可知，吸附于表面的氧及水合懸浮液中的OH、H20等均可產(chǎn)生(該基團(tuán)的氧化作用幾乎沒選擇性，可以氧化包括難生物降解化合物在內(nèi)的眾多有機(jī)物，使之完全氧化，分解成C02和H20，最終達(dá)到凈化空氣的目的。 半導(dǎo)體性能 由于存在著顯著的量子尺寸效應(yīng)，納米TiO2具有特殊的光物理和光化學(xué)性質(zhì)。近年來對納米TiO2的研究表明，納米粒子的光催化活性明顯優(yōu)于相應(yīng)的體相材料。納米Ti02是一種附加值很高的功能精細(xì)無機(jī)材料，它不但保持了常規(guī)Ti02的物理、化學(xué)性質(zhì)，而且由于顆粒尺寸的微細(xì)化，使其具有塊狀材料所不具備的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因此使得納米TiO2具有許多獨特的性質(zhì),如:比表面積大、表面張力大、熔點低、磁性強(qiáng)，且吸收紫外線的能力強(qiáng)等【１４】。Bruslnl 提出的球箱勢阱模型認(rèn)為:納米TiO2由于量子尺寸效應(yīng)帶來的能級改變，能隙變寬，會使微粒的光吸收發(fā)生藍(lán)移，發(fā)射能量增強(qiáng)，光催化驅(qū)動力增大，可導(dǎo)致光催化活性提高，光電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。同時，納米Ti02表面存在大量懸鍵，在能隙中形成缺陷能級，使納米Ti02表面具有很高的活性這對納米Ti02的光學(xué)、光化學(xué)以及電化學(xué)都具有重要影響。為殺滅和抑制微生物的生長，人們開發(fā)了