纳米二氧化钛的应用

二氧化钛，俗称钛白，粘附力强，不易起化学变化，并且无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。纳米TiO2在结构、光电和化学性质等方而有许多优异性能，能够把光能转化为电能和化学能，使在通常情况下难于实现或不能实现的反应（水的分解）能够在温和的条件下（不需要高温高压）顺利的进行。纳米TiO2具有独特的光催化性、优异的颜色效应以及紫外线屏蔽等功能,在能源、环保、建材、医疗卫生等领域有重要应用前景，是一种重要的功能材料。随着纳米二氧化钛技术的发展，其应用领域更加广泛，这里简要介绍其主要用途。

半导体型的氧化钛系陶瓷实际用于空气－燃料（A/F）比控制的传感器。这些氧传感器的原理是基于汽车排出气体的氧分压随空气－燃料比发生急剧的变化，同时陶瓷的电阻又随氧分压变化。在室温下，氧化钛的电阻很大，随着温度的升高，某些氧离子脱离固体进入环境中, 留下氧空位或钛间隙，晶格缺陷作为施主为导带提供电子。随着氧空位的增加，导带中的电子浓度提高，材料的电阻下降。多空圆片氧化钛传感器原件直径4～5mm厚1mm，并埋入铂引线或制成薄膜。

MgCr2O4－TiO2多孔陶瓷的导电性由于吸附水而增高，其导电机制是离子导电。金属氧化物陶瓷表面不饱和键的存在，很容易附水（物理吸附）。但是，MgCr2O4－TiO2高温烧结湿敏陶瓷不同于其他金属氧化物，其表面形成的水分子很容易在压力降低或温度稍高于室温时脱附，湿度响应快。对温度、时间、湿度和电负荷的稳定性高。在实际中，已经用于微波炉的自动控制，根据处于微波炉蒸汽排气口处的湿敏传感器的相对湿度反馈信息，调节烹调参数。MgCr2O4－TiO2陶瓷还可以制成对气体、湿度、温度具有敏感特性的多功能传感器。还可以用TiO2为粉料制成涂覆型湿敏元件。

 3防污自清洁材料

1997年，东京大学的Wang和Fujishima等人报道了紫外光诱导下TiO2薄膜超亲水性的现象，即水与TiO2半导体薄膜表面接触，当受紫外光照射后，接触角由几十度迅速变小，*后达到几乎0度，这就是TiO2的超亲水特性。停止光照，将TiO2在黑暗中放置一段时间，接触角会逐步增大重新恢复到原始状态，若 再经照射又会变成超亲水状态。 迁移到TiO2表面的光生空穴可以产生“光诱导超亲水”现象，这一特性使得TiO2薄膜的研究因其具有自洁净等多种功能，在实际生产中可制成自清洁玻璃或外墙砖。建筑物玻璃窗、交通工具的挡风玻璃及后视镜、浴室镜子、眼镜镜片、测量仪器的玻璃罩等物品，在其表面涂敷一层纳米TiO2薄膜。即使空气中的水分或蒸气凝结，冷凝水不会形成单个水滴而是构成均匀的水膜，所以表面不会形成光散射的雾，也不会形成影响视线的分散的水滴。表面可维持高度的透明性，可确保广阔的视野和能见度，保证车辆及交通的**。对于建筑物的外墙砖来说，一旦表面被油污等污染，由于TiO2的超亲水性，污物不易在表面附着，附着的污物在外部风力，水淋冲力，自重等作用下，也会自动从TiO2表面剥离下来，不影响视线，起到自清洁的效果，阳光中的紫外线可以维持TiO2薄膜表面的亲水特性，从而使其表面具有长期的防污自清洁效应。DianaV．Wellia等报道了一种C－N－F－共掺杂TiO2可见光活性涂层的自清洁作用。这种参杂二氧化钛薄膜表现出较强的可见光吸收，并且在可见光照射下，光催化硬脂酸分解的活性是C－掺杂TiO2薄膜的5倍多。总之，纳米TiO2超亲水膜技术在建筑、车辆、工农业和日常生活等各方面具有广阔的发展前景。

TiO2对紫外线具有十分优异的屏蔽作用。纳米TiO2无毒、无刺激、耐水、无怪味、稳定性好，作为紫外线屏蔽剂主要应用于防晒化妆品、涂料、塑料、化纤、橡胶等方面。

（DSSC） 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。三菱电机集团开发的多晶硅太阳能电池，达到目前世界*高效率19．1%。20世纪90年代才出现的光敏染料太阳能电池则有可能成为21世纪人类利用太阳能的重要工具。该产品是由透明导电基板、二氧化钛纳米微粒薄膜、染料（光敏化剂）、电解质和ITO电极所組成。一个有效率的DSSC，首先即是扮演*重要角色的工作电极，也就是TiO2电极，它必需要能提供染料吸附的表面积、电流的路径，还必需要具有多孔性的结构来帮助电解质的扩散。由于纳米TiO2粒子所组成的多孔结构，颗粒小（10～30nm）、粗糙度够大、比表面积也大，能够提供染料分子很充足的吸附面积，故光敏染料分子化学吸附在纳米半导体TiO2表面，将提高光电阳极吸收太阳光的能力。Sharp公司的染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池，效率为10．4%。长春应化所与瑞士洛桑联邦高工Grtzel实验室合作，对新的高性能有机钌染料进行了标准的光伏性能评价，初步制备的电池光电转化效率就达10．5%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；

（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。

**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**的细胞壁或内部组分发生生化反应，使**灭活，所以是一种很好的**材料。与常规银、铜**剂不同的是，TiO2光催化不仅能够杀灭**，而且同时降解**释放出的有毒物质，避免了**被杀死后释放内**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**瓷砖和卫生陶瓷商业化生产，用于医院、食品加工等场所。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**癌症的医疗技术。

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，成为临床优选的生物医用材料。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。*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（Hydroxyapatite简称HA）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。

二氧化钛光催化技术起源于20世纪70年代，当时日本的科学工作者Fujishima等和Honda在《Nature》杂志上报道了在光电池中光辐射二氧化钛可持续发生水的氧化还原分解，这标志着多相光催化新时代的开始。随后1976年，加拿大科学家Carey等将TiO2光催化应用于剧毒多氯联苯的降解研究，开始了半导体TiO2光催化应用于污染治理的研究。TiO2已成为*有开发前景的绿色环保型催化剂，美国将二氧化钛光催化技术规定为解决环境问题的优选技术。

8．1污水处理方面目前，随着工业化、城市化的加快，全世界而临着水资源短缺、污染严重的挑战。中国尤其严重，是世界13个缺水国家之一。在我国南方城市总缺水量的60%～70%是由于水污染造成的。水污染降低了水体的使用功能，加剧了水资源短缺，对我国可持续发展战略的实施带来了严重的负而影响。我国水体污染主要来自两方而，一是工业发展超标排放工业废水，二是城市化中由于城市污水排放和集中处理设施严重缺乏，大量生活污水末经处理直接进入水体，造成环境污染。目前，采用无毒、快速反应、高效率降解、无二次污染的TiO2基催化剂光催化方法治理环境污染日益受到人们的重视，它在废水净化处理过程中发挥了巨大的潜能。染料废水、农药废水、表面活性剂、氟里昂、含油废水、含重金属废水等都可以被纳米TiO2所氧化降解。该技术的主要优点有：降解没有选择性，几乎能降解任何有机物；反应速度快，有机污染物在短时间内被完全降解生成二氧化碳和水；能耗低，反应条件温和；没有二次污染。

8．2气相光催化氧化降解挥发性有机污染物方面近年来，由挥发性有机物所带来的空气污染问题日趋严重。在众多的治理技术中，TiO2光催化降解有机污染物作为一种理想的环境治理技术倍受关注。利用纳米TiO2光催化氧化技术净化VOCs（挥发性有机化合物）具有以下特点：直接用空气中的O2作氧化剂，反应条件温和（常温、常压）；可以将有机污染物分解为CO2和H2O等小分子，净化效果彻底；TiO2化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。*近，M．Hussain等成功地合成出一些新型的纳米二氧化钛，这些10～20nm的二氧化钛具有较高的比表面积。与商业二氧化钛相比，对乙烯（植物组织产生、发动机排放以及植物和**代谢所产生的一种气体）具有更高的光催化氧化作用。

有序TiO2纳米管阵列薄膜是近年来纳米材料研究的热点之一。这种材料与粉体纳米TiO2薄膜相比具有更大的比表面积和更强的吸附能力。同时，由于TiO2纳米管结构所具有的有序阵列结构形式，应用该材料后可以提高光生电荷的传输寿命并降低其复合几率。因此这种材料在高灵敏度气体传感器、染料敏化太阳能电池、光解水制氢气及生物医疗组织工程等方面呈现出重要的应用前景。鉴于能源环保等领域对高性能纳米材料的重大需求，TiO2纳米管阵列薄膜将引起越来越多的材料研究工作者的关注。