二氧化钛纳米材料的应用
5页1、现有的二氧化钛纳米材料的应用领域包括涂料,牙膏,防紫外线,光催化,光电,传感, 和电致变色以及光色体-这些应用领域前景良好。二氧化钛纳米材料通常有电子带隙,电 子伏特大于3.0,在紫外线区域具有高吸收性。二氧化钛纳米材料性能非常稳定、无毒、价 格便宜。由于其良好的光学和生物学性能,可应用于紫外线保护。如果水表面接触角大于130 或小于5 ,可将表面分别定义为超疏水或超亲水表面。各种 玻璃制品具有防雾功能,如镜子,眼镜,具有超亲水或超疏水表面。例如,冯等人发现可逆 超亲水性和超疏水性,可来回切换二氧化钛纳米薄膜。用紫外光照射二氧化钛纳米棒薄膜时, 光生空穴和晶格氧产生反应,表面氧空缺。动力学上,水分子与这些氧空缺相协调,球形水 滴沿纳米棒填补了凹槽,并且在二氧化钛纳米棒薄膜上分散,接触角约为0 -这会导致超 亲水二氧化钛薄膜。羟基吸附后,表面转化成大力亚稳态。如薄膜被放置在黑暗中,被吸附 羟基逐渐取代了大气中的氧气,表面回到原始状态。表面润湿度由超亲水转换成超疏水。由 于超亲水或超疏水表面,许多不同类型的表面具有防污、自洁性能。电气或光学性质随吸附 而产生变化,二氧化钛纳米材料也可用来作
2、为各种气体和湿度传感器。就未来的清洁能源应 用而言,最重要的研究领域之一,是寻找高效电力和/或氢气材料。如二氧化钛和有机染料 或无机窄禁带半导体敏化,二氧化钛能吸收光,形成可见光区域,并将太阳能转换成电能, 应用于太阳能电池。Gratzel领导的小组,运用染料敏化太阳能技术,实现了将所有太阳能 转换成电流,转换效率物10.6%电流。人们广泛研究了二氧化钛纳米材料用于水分解和制氢, 这是因为于水氧化还原时,其具有合适的电子能带结构。二氧化钛纳米材料另外应用-二氧化钛纳米材料与染料或金属纳米粒子敏化时,形成光 致变色。当然,二氧化钛纳米材料的众多应用之一是光催化分解各种污染物。5.1光催化应用二氧化钛被认为是最有效的、无害环境的光催化剂,广泛用于各种污染物的降解。二氧化 钛光催化剂还可以用来杀死细菌,可处理大肠杆菌悬液。发亮的二氧化钛具有强氧化力,癌 症治疗中,可用于杀死肿瘤细胞。人们广泛研究了光催化反应机制。半导体的光催化反应原理非常简单。吸收的光子能量大 于二氧化钛带隙,电子从价带激发到导带,形成电子空穴对。一些电荷载体迁移到表面,并 和吸附到表面的化学品发生反应,分解这些化学品。这种
3、光解过程通常涉及一个或更多的自 由基或中间物质。比如OH, O2 ,H2O2,和O2 -它们在光催化反应机制中扮演重要角色。半 导体光催化活性主要取决于-(i)光吸收性能,例如,光吸收光谱和系数。(ii)电子和空 穴决定表面还原和氧化率。(iii)电子空穴复合率。一个较大面积的表面,具有恒定的吸附 剂表面密度,会使光催化反应速度更快。在这个意义上说,表面面积越大,光催化活性越高。 另一方面,表面具有缺陷,因此,表面面积越大,重组的速度就越快。结晶度越高,大面积 缺陷就越少,光催化活性越高。高温治疗上通常提高了二氧化钛纳米材料,这反过来又可以 促使小颗粒聚集和降低表面积的结晶。从上述一般结论来看,物理特性和光催化活动的关系 是复杂的。考虑相关因素,寻求最佳的条件,这可能因个案而异。二氧化钛颗粒尺寸减小时,表面微粒随表面积和体积比增大而增加,这可以进一步提高催 化剂活性。纳米颗粒尺寸减小,带隙能量增加,这有可能提高价带洞的氧化还原,并有可能 提高导带电子的氧化还原,这会允许产生光氧化还原反应。此反应不可能在大量材料中进行, 除非另有说明。二氧化钛纳米粒子的一个缺点为,它们只能用一小部分阳光
4、进行光催化。实 际上,存在着为特定光催化反应的最佳尺寸。王等人研究了二氧化钛纳米材料加氢反应,即CH3CCH和H2O反应,他们发现了 :二氧 化钛粒子的直径减小,光催化活性就提高,尤其是小于10纳米的二氧化钛粒子。他们建议, 对粒子尺寸收益率的依赖,是由于化学反应活性的差异,而不是由于催化剂的物理性质。 王等人发现了二氧化钛纳米材料的最佳尺寸,用于分解氯仿的最大光催化效率。他们观察到 了:粒径从21下降到11纳米时,光催化活性就提高了。他们得出了结论,对于一些特别反 应,最佳颗粒尺寸约为10纳米。大尺寸二氧化钛纳米粒子中,电荷载体的大部分重组是主 要的过程,可以通过减小颗粒尺寸而减少电荷载体重组。当颗粒尺寸降低到某一限额时,表 面重组过程占主导地位,这由于产生了电子和空穴,并且接近于表面,表面重组超过了界面 电荷载体转移过程。蔡等人研究了四种尺寸的二氧化钛纳米粒子光催化活性,用于分解2-异丙醇。他们发现 了,7纳米微粒的光催化活性1.6倍于P25型二氧化钛。5 - 30纳米粒子具有较低的光催化 效率。经证明,在适当条件下,介孔二氧化钛,二氧化钛纳米棒,纳米管,具有很高的光催化 性能。彭
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