二氧化鈦的形貌及其應(yīng)用

郭宇萱，李 坤，張伊晗，王 璐

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 渤海校區(qū)，河北 滄州 061100）

TiO2因其毒性低、價廉、耐強酸強堿、耐紫外線腐蝕、耐強氧化劑腐蝕而普遍應(yīng)用于環(huán)境治理，成了最有前途的材料，得到了科研人員的重視。1991年，日本學(xué)家Iijima[1]發(fā)現(xiàn)了碳納米管，開啟了TiO2一維形貌研究的大門。隨著研究的深入，眾多科技領(lǐng)域開始了對TiO2形貌結(jié)構(gòu)的研究，TiO2材料因其結(jié)構(gòu)不同而具有不同的性能及應(yīng)用，本研究綜述了不同制備方法對其形貌特征的影響。

1 TiO2的合成及形貌結(jié)構(gòu)

TiO2是最早作為光催化劑的材料之一，相比較其他光催化劑，它的發(fā)展更為完善，目前合成出的比較成熟的形貌有球形、微球形、中空球形、納米纖維、納米管狀、片狀、棒狀、花形等。Pal等[2]在氮氣氛圍和室溫下，將四丁氧基鈦和乙二醇配置的溶液磁力攪拌水解8 h，然后再加入丙酮進行劇烈攪拌，就制備出了球形TiO2。呂玉珍等[3]以草酸鈦鉀和過氧化氫為原料制備了TiO2粉末，采用水熱法在150 ℃下加熱0.5 h，TiO2粉末初步變成圖1中的帶狀花結(jié)構(gòu)，再在此溫度下延長加熱5 h，形成圖1中所示的棒狀花結(jié)構(gòu)。

常用的TiO2合成方法包括：反應(yīng)熱爐熱裂解法[4]；水熱法，Wang[5]采用水熱法一步合成了2-D TiO2，他們發(fā)現(xiàn)二維TiO2的禁帶寬度比TiO2減小很多，Eg大約為1.8 eV，在較大程度上提高了光催化劑的催化活性；溶劑熱法[6-7]，而溶劑熱法又分為有無模板，王紅俠等[6]采用無模板溶劑熱法合成了TiO2中空微球（以鈦酸丁酯為鈦源），發(fā)現(xiàn)它具有良好的光催化活性。除了這些方法，還有很多其他的制備方法。Li[8]考慮到了TiO2回收的問題，制備合成了多孔TiO2陶瓷顆粒。在人們發(fā)現(xiàn)氧空穴對提高TiO2的光催化性能有一定貢獻后，An等[9]將TiO2納米管與p25納米粒子進行偶聯(lián)，合成了分級納米結(jié)構(gòu)的TiO2，具有較大的比表面積，較多的氧空穴和良好的光活性。

2 TiO2的其他應(yīng)用

2.1 電池領(lǐng)域應(yīng)用

隨著社會科技、經(jīng)濟的發(fā)展，不可再生能源的逐漸減少，能源問題也越來越突出，人們開始探究新能源—太陽能。太陽能因其儲存量大、綠色無污染成為最有前途的能源之一。1991年，Gr?tzel教授[10]制備出了光電轉(zhuǎn)化效率為7.1%的太陽能電池后，染料敏化太陽能電池便開始備受關(guān)注，因為它的成本低廉、易制作等優(yōu)點，大多數(shù)人們開始研究這樣一種新型太陽能電池。

圖1 在150 ℃下加熱的SEM照片

2.2 抗菌

Liu等[11]發(fā)現(xiàn)多面體TiO2納米晶上構(gòu)建的{101}-{001}表面異質(zhì)結(jié)有利于光生電子與空穴的分離，所形成的自由電子和空穴可以促進活性氧（ROS）的產(chǎn)生，這可能用于消滅活細菌。研究發(fā)現(xiàn)，這些多面體TiO2納米晶體比球形TiO2納米晶體更容易產(chǎn)生活性氧，對在模擬日光照射下的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較高的抗菌活性。

2.3 污水處理

Liz[12]利用TiO2光降解污水中的雌激素雌酮（E1），17β-雌二醇（E2）和17α-炔雌醇（EE2）。在UVA（介于320～420 nm的紫外光）輻射輔助下，所有雌激素均為98%的水溶液中，暴露60 min后，發(fā)現(xiàn)固定化TiO2顯示出更好的去除雌激素（82%的E2和85%的EE2）的效果，此方法可用于降解廢水中的分析物樣本。

2.4 氣體傳感器

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器，能將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息。Zhang等[13]成功合成了一種新型中空雙層納米結(jié)構(gòu)的SnO2-TiO2。由于SnO2-TiO2的特殊的多層結(jié)構(gòu)和豐富的異質(zhì)界面，它的傳感層對乙醇氣體響應(yīng)敏感，響應(yīng)時間不足1.7 s。這使其在環(huán)境監(jiān)測和檢驗酒駕方面顯示出巨大的潛能。

3 結(jié)語

利用反應(yīng)熱爐熱裂解法、水熱合成法、模板法、溶劑熱法等各種方法可以制備TiO2的不同結(jié)構(gòu)，也正是因為不同的形貌特征而呈現(xiàn)出特定的性質(zhì)，這就決定了不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的不同。除此之外，還有些問題需要完善：（1）多數(shù)對形貌有影響的物理化學(xué)方法只停留在理論層面，缺乏對合成研究的更深層次理解，還需從動力學(xué)、熱力學(xué)等角度繼續(xù)探究，從而發(fā)現(xiàn)新的形貌結(jié)構(gòu)。（2）關(guān)于部分TiO2材料的應(yīng)用多數(shù)僅停留在實驗室階段，隨著實驗研究的進一步深入，其應(yīng)用領(lǐng)域還將擴大。