二氧化鈦材料的應(yīng)用研究進展

甘禹鑫，張帥奇，王志鴿，王慧春

（青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008）

二氧化鈦（TiO2）是一種白色固體或粉末狀物質(zhì)，屬于兩性氧化物，在自然界中以金紅石、銳鈦礦和板鈦礦等3種晶型存在。TiO2因白度好、著色力和遮蓋力強、化學(xué)穩(wěn)定性強、無毒無污染等優(yōu)點[1]成為研究熱點之一，在環(huán)境保護、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、新能源等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文主要介紹了TiO2材料的發(fā)展歷程及其應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 TiO2材料的發(fā)展歷程

鈦白粉是由粒度在0.2～0.3μm的晶相TiO2顆粒組成的一種亞微米級粉體材料，是TiO2的主要產(chǎn)品形態(tài)[2]。1958年，美國開始工業(yè)化生產(chǎn)鈦白粉，此后TiO2的應(yīng)用市場迅速被打開，成為應(yīng)用最廣、用量最大的一種無機顏料，被認(rèn)為是當(dāng)今世界上性能最好的一種白色顏料，廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、造紙、油墨、橡膠、化妝品等工業(yè)領(lǐng)域[1]。

1972年，日本科學(xué)家Fujishima等發(fā)表了TiO2電極光催化分解水的科研成果，標(biāo)志著光催化新時代的到來。TiO2因光催化活性高、穩(wěn)定性好、無毒等優(yōu)點，被作為光催化劑得到廣泛的研究并投入使用。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米TiO2材料開始興起。研究發(fā)現(xiàn)，納米TiO2光催化材料可以有效降解多種廢水及空氣中的有毒有害物質(zhì)，還能殺菌、除臭[3-5]，因此TiO2在環(huán)境污染及處理等領(lǐng)域迅速發(fā)展起來。

2 TiO2材料的應(yīng)用

2.1 環(huán)境保護

2.1.1 污水處理

隨著我國城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，工業(yè)污水和生活污水逐年增加，水污染問題日益突出[6]，采用有效方法處理污水迫在眉睫。TiO2材料因其無毒價廉、降解速率快、反應(yīng)條件溫和、可循環(huán)利用等優(yōu)點，被公認(rèn)為是最理想的光催化劑[7]，可催化降解染料廢水、農(nóng)藥廢水、造紙廢水、垃圾填埋場滲濾液中的多種有機物。張新海[8]的研究結(jié)果表明，在溶液pH值為2、通入空氣量0.5L·min-1、催化劑用量0.5g·L-1的實驗條件下，制備的TiO2固體光催化劑對敵百蟲廢水的降解率最大可達80%以上。陶然等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，在紫外光燈的照射下，負(fù)載型TiO2光催化劑對酸性紅18染料溶液的降解率為99.1%，對活性紫145染料溶液的降解率為78.2%。

2.1.2 空氣凈化

工業(yè)生產(chǎn)、城市開發(fā)、機動車的使用等排放了大量的污染物，導(dǎo)致環(huán)境污染加劇。長期接觸空氣污染物會影響人們的身體健康。TiO2光催化劑能夠有效地催化降解甲醛、氮氧化物等多種常見的空氣污染物，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外空氣凈化[10]。景慧等人[11]發(fā)現(xiàn)，5nm的TiO2可以有效拓展TiO2的光催化波長段，在相對濕度為50%的室內(nèi)，于正常光照條件下噴涂1.1g·m-2的5nm的TiO2，就可將1mg·m-3甲醛在36h內(nèi)去除干凈。

2.1.3 自清潔涂層

自清潔涂層是指利用自身特性阻止污染物或細(xì)菌等生物聚集在表面的涂層，具有環(huán)保、方便、節(jié)約資源等特點，在建筑涂料、醫(yī)療、化工、汽車、電器和電子設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[12]。TiO2具有光催化活性，且其薄膜表面具有超親水性，可用于制備自清潔涂料。趙玥[13]用蒸發(fā)法制備了含TiO2的自清潔涂料，其中含15% TiO2的涂層對灰塵、污漬都具有較好的自清潔效果。

2.2 工業(yè)生產(chǎn)

2.2.1 在顏料與涂料中的應(yīng)用

顏料級鈦白粉的折射率高，消色力強，遮蓋力大，分散性好，白度好，無毒，物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)性能[14]。鈦白粉的使用占所有白色顏料的90%以上，作為顏料，在工業(yè)生產(chǎn)中可以起到增色、提亮、提高產(chǎn)品品質(zhì)等作用。鈦白粉在乳膠漆、卷材和印鐵涂料、汽車漆、粉末涂料中的應(yīng)用較多[15]。其中，粒徑在200～400nm之間的顏料級鈦白粉，不僅具有紫外線屏蔽、靜電屏蔽、耐磨耐刮傷等性能，還可以提高涂料的附著力，防止涂料流掛[16]。

2.2.2 在紡織和化纖中的應(yīng)用

紡織和化纖是鈦白粉的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，在化纖中一般使用銳鈦型鈦白粉[17]，可起到消光的作用。TiO2的折射率較高，一般將0.2%～0.5%的TiO2加入到合成纖維，就能達到很好的消光效果[18]。王鑫峰[19]以偏鈦酸為原料，在一定的反應(yīng)條件下，控制鈦白粉粒徑在200～300nm，經(jīng)后處理生產(chǎn)的化纖消光用TiO2，具有粒徑分布窄、分散性好的優(yōu)點。

2.2.3 在化妝品中的應(yīng)用

TiO2可以吸收、反射、散射紫外線，能起到防紫外線照射的作用，在化妝品領(lǐng)域有一定的應(yīng)用潛力[20]。但納米TiO2本身的比表面能大，極性強，易團聚，影響了實際應(yīng)用效果，因此通常將納米TiO2進行表面改性后再在化妝品領(lǐng)域使用[21]。余爵等人[22]采用一步水熱酯化反應(yīng)得到木質(zhì)素改性TiO2，并將其作為唯一的防曬組分制備了防曬霜。測定結(jié)果顯示，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的溶劑型木質(zhì)素改性TiO2后，防曬霜的SPF值達到72.83，比添加純TiO2防曬霜的防曬效果好，膚感更優(yōu)。

2.2.4 在其他工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米TiO2應(yīng)用在造紙工業(yè)中，可以起到使紙張色彩亮麗、抗紫外線、穩(wěn)定不易返黃等作用[23-24]。在水性油墨中加入顏料級TiO2，可使油墨具有著色強、易分散、耐久性好等優(yōu)點[25]。此外，納米TiO2在食品工業(yè)生產(chǎn)中作為食品包裝材料，可以提高食品貯藏品質(zhì)，有利于食品保鮮[26]；其在塑料、橡膠等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用研究。

2.3 醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用

TiO2光催化材料可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，從而起到殺菌消毒的作用[27]。李君建[28]研究了Ag-TiO2/RGO復(fù)合材料對大腸桿菌的抑菌效果，結(jié)果表明，當(dāng)載銀量為5%時，大腸桿菌抑菌圈的直徑達到8.5mm，說明這種復(fù)合材料具有較好的抑菌性能。納米TiO2能夠分解病原菌和內(nèi)毒素，在醫(yī)院病房、手術(shù)室等細(xì)菌大量繁殖的場所使用TiO2光催化抗菌建材，室溫條件下就能夠降解固體表面和液體中的內(nèi)毒素[29]。另有研究表明，在光照下，TiO2對宮頸癌細(xì)胞有明顯的殺滅作用[29]，在治療腫瘤等醫(yī)療領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

2.4 能源領(lǐng)域

2.4.1 在電池中的應(yīng)用

太陽能電池是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。染料敏化太陽能電池（DSSC）的成本低，制作方法相對簡單，無毒無害無污染，有著很好的開發(fā)前景[30]。TiO2可用于染料敏化太陽能電池的生產(chǎn)，在TiO2電極表面添加納米Au、Ag或Pt等貴金屬粒子，摻雜非金屬離子、過渡金屬配合物，可以提高TiO2的光電轉(zhuǎn)換效率[31]。TiO2還可以作為鈣鈦礦太陽能電池中的電子緩沖層材料，以及鋰離子電池、鈉離子電池的負(fù)極材料等[32-33]。

2.4.2 在制氫中的應(yīng)用

氫氣是一種清潔無污染的能源，TiO2光催化材料在制氫方面有很大的應(yīng)用潛力。水分子中的氫氧鍵的鍵能較大，分解水時需要較大的能量，而TiO2光催化材料可以降低水分解時的活化能，使反應(yīng)溫和[34]。謝依婷等人[35]制備的石墨烯/介孔TiO2復(fù)合材料，在紫外光條件下，催化產(chǎn)氫活性達241mmol·g-1·h-1，可見光條件下的產(chǎn)氫活性也可達9mmol·g-1·h-1。杜新華等人[36]的研究表明，Au納米顆粒的等離子共振效應(yīng)以及助催化劑MoS2，能有效提高TiO2的光催化產(chǎn)氫活性，當(dāng)Au的負(fù)載量固定為2% (w)，MoS2含量為0.1%(w)時，光催化產(chǎn)氫速率高達 708.85μmol·h?1。

3 問題與展望

TiO2材料雖已應(yīng)用在多個領(lǐng)域中，但其對太陽光的利用率低、顆粒細(xì)小等缺點，使其發(fā)展和應(yīng)用受到一定限制。此外，TiO2材料在生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)型、復(fù)合涂料等領(lǐng)域的研究較少，仍停留在實驗室階段，沒有投入到生產(chǎn)生活的實際應(yīng)用中。在環(huán)境污染及資源短缺的形勢下，TiO2基材料的開發(fā)應(yīng)用，還需要進一步發(fā)展完善，使其在更多領(lǐng)域發(fā)揮最大的潛力，推動社會可持續(xù)發(fā)展。