納米TiO2（課堂PPT）

1、1納米納米TiO2研究進(jìn)展研究進(jìn)展2納米納米TiOTiO2 2l 納米二氧化鈦，亦稱納米鈦白粉。從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在100納米以下，其外觀為白色疏松粉末。具有抗紫外線、抗菌、自潔凈、抗老化功效，可用于化妝品、功能纖維、塑料、油墨、涂料、油漆、精細(xì)陶瓷等領(lǐng)域。 31.1 1.1 納米納米TiOTiO2 2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而致密，較高的硬度、密穩(wěn)定而致密，較高的硬度、密度、介電常數(shù)及折射率，遮蓋度、介電常數(shù)及折射率，遮蓋力和著色力較高力和著色力較高 光催化活性高光催化活性高化妝品化妝品催化劑催化劑 殺菌殺菌41.2 1.2 納米納米TiOTiO2 2的光致

2、特性的光致特性51.3 1.3 納米納米TiOTiO2 2的制備的制備61.3.1 1.3.1 溶膠一凝膠法溶膠一凝膠法l 溶膠-凝膠法具有純度好，均勻性高、反應(yīng)溫度低等優(yōu)點(diǎn)，是制備納米二氧化鈦?zhàn)畛Ｓ玫姆椒ㄖ唬湓现饕荰iCl3、TiCl4和Ti(O-Bu)4等，以無機(jī)酸作為催化劑，在有機(jī)溶液中進(jìn)行水解和縮合制得溶膠，然后進(jìn)一步縮合得到凝膠，再將凝膠干燥煅燒即可得到納米二氧化鈦，其反應(yīng)方程式如下：71.3.2 1.3.2 膠溶法膠溶法l 膠溶法具有成本低、原料豐富、產(chǎn)品粒徑小等優(yōu)點(diǎn)，但是也有工藝流程長，自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，如果控制不好的話納米二氧化鈦的分散性會(huì)比較差。膠溶法主要以硫酸氧鈦

3、為原料，先用堿進(jìn)行中和，再用酸溶解，形成二氧化鈦的溶膠，再經(jīng)過有機(jī)溶劑的處理，蒸餾和熱處理，然后高溫煅燒，即可得到不同晶型的納米二氧化鈦，其反應(yīng)方程式如下:81.3.3 TiCl1.3.3 TiCl4 4水解法水解法l TiCl4水解法就是以TiCl4為原料，以堿為催化劑，得到Ti02的水合物，然后經(jīng)過離心、洗滌、干燥和煅燒即可得到納米二氧化鈦。91.3.4 1.3.4 水熱法水熱法l 水熱法具有產(chǎn)物粒徑小、分布均勻、潔凈度好、團(tuán)聚少等優(yōu)點(diǎn)，但是反應(yīng)時(shí)必須要在高溫高壓進(jìn)行，因此一般要在耐腐蝕的密閉高壓反應(yīng)釜總進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)設(shè)備的要求比較高，成本也較高。水熱法一般就是將原料，如醇鈦鹽、硫酸氧鈦等加

4、入到高壓反應(yīng)釜中，然后放入烘箱，按一定的要求升溫加熱，然后持續(xù)恒溫規(guī)定的時(shí)間后，打開高壓反應(yīng)釜，對(duì)罩面的物質(zhì)進(jìn)行洗滌干燥即可得到納米二氧化鈦。102. 2. 納米納米TiOTiO2 2的應(yīng)用的應(yīng)用112.1 2.1 納米納米TiOTiO2的防曬機(jī)理的防曬機(jī)理12l 近幾年，由于納米TiO2具有優(yōu)異的紫外線屏蔽作用、透明性以及無毒等特點(diǎn)，使其廣泛地應(yīng)用于防曬霜類護(hù)膚產(chǎn)品。防曬化妝品用納米二氧化鈦除必須具備安全無毒、防曬能力強(qiáng)、光熱穩(wěn)定性好、與化妝品其他原料有極好的相容性的特點(diǎn)外，本身色澤還必須淺、無色或白色最好，以利于化妝品顏色的調(diào)配。一般說來，當(dāng)其粒徑在30100nm之間時(shí)，對(duì)紫外線的屏蔽效果

5、最好，同時(shí)能透過可見光，使皮膚的白度顯得更富自然美。為了降低白度，常采用堿式脂肪酸鐵鹽包覆納米TiO2顆粒，適當(dāng)?shù)靥岣呒{米TiO2的含量，可提高防曬系數(shù)。l 正是由于納米二氧化鈦吸收紫外線后會(huì)產(chǎn)生自由基，從而會(huì)加速皮膚的老化，對(duì)皮膚造成危害。132.2 TiO2.2 TiO2 2在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用l 當(dāng)二氧化鈦受到波長小于3875nm的紫外光的照射時(shí)，價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)電離出電子同時(shí)產(chǎn)生正電性的空穴，形成電子一空穴對(duì)，與吸附溶解在其表面的氧氣和水反應(yīng)。分布在表面的空穴將OH-和H2O氧化成HO自由基。HO自由基的氧化能力是在水體中存在的氧化劑中最強(qiáng)的，能氧化大部分的有機(jī)

6、污染物和無機(jī)污染物，而且對(duì)反應(yīng)物幾乎無選擇性，在光催化氧化中起著決定性的作用。二氧化鈦的表面電子可被溶解在表面的氧俘獲形成O2-。另外表面電子具有高的還原性，可以去除水體中的金屬離子。生成的原子氧和氫氧自由基使有機(jī)物被氧化、分解，最終分解為CO2、H2O和無機(jī)物。142.2.1. TiO2.2.1. TiO2 2降解廢水中有機(jī)污染物降解廢水中有機(jī)污染物l (1)有機(jī)磷農(nóng)藥廢水處理:在TiO2的懸濁液中，通過光催化氧化，含磷有機(jī)物可完全無機(jī)化，并能定量的生成PO43-。l (2)氯代有機(jī)物廢水處理：3-氯酚、三氯乙烯水溶液、多氯聯(lián)苯類化合物完全分解為CO2、H2O和HCl。l (3)含油廢水處理

7、：采用偶聯(lián)法將納米TiO2牢固的粘附于載體空心陶瓷微球表面，使其浮于水面，以辛烷為石油中烷烴的代表進(jìn)行分解，有效的光催化降解水面的辛烷90以上。l (4)毛紡染整廢水處理：把表面涂覆有納米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反應(yīng)器中，毛紡染整廢水在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)進(jìn)行光催化氧化處理。l (5)印染廢水處理152.2.2. 2.2.2. 降解水中無機(jī)污染物降解水中無機(jī)污染物l (1)含鉻廢水的處理：用TiO2摻雜Pb 2+作為吸附劑，利用TiO2薄膜在光催化下使Cr6+轉(zhuǎn)化成Cr3+，去除率為995。l (2)含氰廢水的處理：水中的CN-通常與金屬離子形成穩(wěn)定的配合物，一般方法很難使其氧化。CN-與O2同

8、光催化劑作用生成的自由基發(fā)生氧化反應(yīng)，經(jīng)氰酸鹽最終分解成二氧化碳、氨。l (3)NO2-廢水的處理：Fe3+摻雜的Fe3+TiO2SiO2復(fù)合納米粉末，降解率達(dá)到最大值995。l (4)含鉛廢水的處理：利用擔(dān)載Pt的催化劑PtTiO2，Pb2+不僅會(huì)得到電子還原為零價(jià)鉛，而且還會(huì)直接氧化為PbO2，將其去除。l (5)含汞廢水的處理：同六價(jià)鉻還原相似，無機(jī)汞離子從半導(dǎo)體導(dǎo)帶到電子而被還原到零價(jià)汞。162.2.3. 2.2.3. 對(duì)室內(nèi)空氣中污染物的降解對(duì)室內(nèi)空氣中污染物的降解l 納米TiO2光催化技術(shù)在清除揮發(fā)性有機(jī)物上(VOC)具有獨(dú)到之處，能將許多難于用其他方法降解的污染物最終達(dá)到無機(jī)化，

9、一般生成二氧化碳和水，以及相應(yīng)的化合物。l 例如在紫外線照射下通過室內(nèi)噴涂吸附能力強(qiáng)的銳鈦型納米TiO2涂層可以分解裝修過的房間存在的大量游離甲醛、苯系物、酮類等有機(jī)揮發(fā)物，吸煙產(chǎn)生的乙醛、家庭灰塵產(chǎn)生的硫醇等有機(jī)異臭，還可分解油份和有機(jī)的表面污染。172.2.42.2.4對(duì)大氣中污染物的降解對(duì)大氣中污染物的降解l 納米級(jí)TiO2制成環(huán)保涂料，對(duì)空氣中易產(chǎn)生溫室效應(yīng)、酸雨、臭氧空洞及光化學(xué)煙霧的主要污染物之一的NOx具有一定的降解效果。NO2及NO吸附在涂料上后，分別與納米二氧化鈦表面產(chǎn)生的活性氧和氫氧根自由基發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成硝酸，從而達(dá)到消除大氣中氮氧化物的目的。l 利用納米二氧化鈦的

10、光催化作用可將這些氣體氧化，形成蒸汽壓低的硝酸和硫酸，這些硝酸和硫酸可通過水溶液吸收加以除去，從而達(dá)到凈化空氣的目的。182.2.52.2.5對(duì)城市生活垃圾的處理對(duì)城市生活垃圾的處理l 從垃圾堆放場流出的滲濾液，可滲透到地下，對(duì)地下水引起嚴(yán)重的污染。研究以紫外線殺菌燈為光源，采用銳鈦型TiO2粉末懸浮相與TiO2膜固定相兩種處理方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)水樣進(jìn)行了光催化氧化試驗(yàn)并對(duì)其光氧化分解進(jìn)行了深入探討。結(jié)果表明，光催化氧化技術(shù)用于垃圾填埋場滲濾液的深度處理，采用紫外光源無論從效果上和價(jià)格上都是可行的，而且該技術(shù)可氧化一般生物處理難于分解的色素與COD，其處理水質(zhì)可達(dá)國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。192.3 2.3

11、 涂料涂料l 水性納米氟碳涂料：以含氟丙烯酸酯為主要成膜物的氟碳涂料有優(yōu)異的耐候、耐污、耐腐蝕的性能。在氟碳涂料中引入納米材料，改性的涂料在原有性能的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)出耐候性、耐久性、耐化學(xué)藥品性、防腐性、耐寒性、耐熱性、耐磨性、絕緣性、非粘附性、光催化性、耐污染性、吸波性等。l 添加了具有光催化活性的納米TiO2的環(huán)保涂料，已應(yīng)用于環(huán)境空氣凈化，并擴(kuò)展到室內(nèi)的衛(wèi)生保健，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。202.3.1 2.3.1 光催化環(huán)保涂料光催化環(huán)保涂料l 納米TiO2氟碳涂料光照過程產(chǎn)生的羥基與生物大分子（如脂類、蛋白質(zhì)、酶以及核酸）通過一系列氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)對(duì)生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)引起廣泛的損傷性破壞，攻擊有機(jī)物

12、的不飽和鍵或抽取氫原子，使細(xì)菌蛋白質(zhì)變異或脂類分解（多肽鏈斷裂和糖類解聚），將細(xì)胞質(zhì)中的原生質(zhì)活酶破壞，以此殺滅細(xì)菌使之分解，賦予涂料很強(qiáng)的殺菌抑菌功能，對(duì)空氣中細(xì)菌、霉菌、發(fā)臭有機(jī)物等有凈化的作用；有長期的防霉防藻效果，強(qiáng)勁的抗粉塵和抗臟物的粘附能力；疏水性極佳，容易清洗涂層表面的污物。212.3.2 2.3.2 自清潔涂料自清潔涂料l 氟碳樹脂中引入親水分子基團(tuán)，使涂膜表面親水化，當(dāng)雨水從涂膜自上而下流動(dòng)時(shí)，吸附在涂膜表面的污染物脫離涂膜而浮在水膜表面，被雨水沖洗干凈，被雨水沖洗干凈，避免雨痕污染，達(dá)到自清潔效果。22l 重防腐涂料l 抗老化超耐候涂料l 隱身涂料233. 3. 納米納米T

13、iOTiO2 2的生物安全性研究的生物安全性研究l 納米TiO2進(jìn)侵入生物體的途徑：由于納米TiO2在涂料，污水處理，空氣凈化，化妝品，食品等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，因此它極有可能通過水，食物，空氣和皮膚接觸進(jìn)入人體，對(duì)人類的健康有潛在的危害。l 張學(xué)治等研究了水環(huán)境中的納米TiO2在鯉魚體內(nèi)的富集情況，暴露于3 mg/L及10 mg/L的P25二氧化鈦25 d時(shí)，鯉魚體內(nèi)的納米二氧化鈦濃度分別達(dá)到2.1mg/g和5.8mg/g，尤其在內(nèi)臟與腮中具有很高的富集。l Zs. Kertesz等采用豬皮膚為模型，發(fā)現(xiàn)納米TiO2能進(jìn)入角質(zhì)層，最深能到達(dá)顆粒層，但并不能完全透過顆粒層。l Bermud

14、ez等將老鼠暴露于10mgL納米TiO2，顆粒中進(jìn)行13周時(shí)間的霧化吸入實(shí)驗(yàn)(5dw，6hd)，發(fā)現(xiàn)老鼠肺部納米TiO2顆粒超載，同時(shí)引發(fā)了一系列炎癥，如引起老鼠體內(nèi)巨噬細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞的增加、逐步纖維化、蛋白和乳酸脫氫酶的含量增加。24l 納米TiO2的細(xì)胞毒性：納米TiO2的尺寸和生物大分子很接近，因此很容易與細(xì)胞膜產(chǎn)生相互作用，引起細(xì)胞膜的通透性改變。納米TiO2對(duì)細(xì)胞的損傷首先體現(xiàn)在它對(duì)細(xì)胞膜的破壞，使細(xì)胞壞死。l 納米TiO2可以抑制細(xì)胞生長，采用假單胞菌屬作為培養(yǎng)對(duì)象，在納米TiO2的存在下，經(jīng)UV照射40 min后，納米TiO2對(duì)細(xì)胞生長的抑制率達(dá)到60%72%。l 納米TiO2對(duì)遺傳物質(zhì)的損傷：Dunford等用含有納米TiO2的防曬化妝品作用于核酸PB DNA ，采用介于300400 nm的紫外線照射，通過DNA凝膠電泳分析，發(fā)現(xiàn)了DNA的解旋與斷裂。25l 雖然目前有關(guān)納米TiO2產(chǎn)品的潛在危害的相關(guān)實(shí)驗(yàn)還不是特別充分，且存在一定