分析纳米ＴｉＯ２光触媒要如何应用在建材领域

黄豆豆

　　【关键词】领域,建材,应用,分析,纳米,如何,TiO2,涂料,玻璃,氧

　TiO2属于一种n型半导体材料,它的禁带宽度为3.2ev (锐钛矿),当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时,价带的电子就会获得光子的能量而跃迁至导带,形成光生电子(e-);而价带中则相应地形成光生空穴(h+),如图1所示。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获,而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基,·OH自由基具有402.8MJ/mol反应能,可破坏有机物中C-C、C-H、C-N、C-O、NH键,因而具有高效分解有机物的能力,有杀菌、除臭、光催化降解有机污染物的功能。
　　
　　二、纳米TiO2光触媒的特点
　　
　　纳米TiO2具有较高的光催化反应活性,吸附能力也较强,可与污染物更充分地接触,将它们极大限度地吸附在粒子表面。主要特点有1)作用广谱,在光触媒反应过程中,不仅能破坏生物因子,也能破坏各种有机化学物质;(2)在光触媒反应过程中,二氧化钛不参与反应,只起催化媒介作用,其本身并不随时间延长而消耗,因此使用寿命持久;(3)经过纳米技术工艺处理的触媒,可在含有微弱紫外线的灯光、自然光、阳光等多种光源下发挥作用;(4)完全无害,由于纳米二氧化钛本身不释放出有害物质且本身不参与反应,在反应过程中将所作用的物质完全氧化成无害的二氧化碳和水等无害物质,因此光触媒作用对环境完全无害。
　　
　　三、纳米TiO2光触媒在建材领域中的应用
　　
　　(一)光触媒涂料
　　1.抗菌涂料
　　近年来,随着人们环保意识的加强,绿色涂料已成为涂料行业发展的主流,水性涂料作为其主要品种也得到了长足的发展。但其防霉、防菌问题较为突出,如在贮存过程中生霉、长菌使得涂料的品质降低,在施涂后膜层生霉、长菌则使得涂层老化、外观污损,甚至开裂、剥落,使涂料丧失原有的保护和装饰功能。
　　纳米TiO2在光催化作用下具有分解病原菌和毒素的功能,它作为一种新型助剂应用于杀菌涂料中,赋予了制品持久、长效的抗菌、杀菌能力,是受到人们关注的新型矿物功能材料[1]。纳米TiO2涂料与传统的钛白粉相比,克服了产品在抗菌性、广谱性、抗药性和耐热加工性等方面的缺陷,具有重要的使用价值。徐瑞芬等[2]将实验室自制的抗菌纳米TiO2添加于苯-丙乳液中,经表面处理的抗菌纳米TiO2在乳液中能够均匀分散,可充分发挥纳米TiO2的杀菌作用。
　　纳米TiO2不仅具有分解病原菌的能力,还能有效分解细菌释放出的毒素。东京大学的藤岛昭授等[3]在玻璃上涂一薄层TiO2,光照射3h达到了杀死大肠杆菌的效果,毒素的含量控制在5%以下。此外,纳米TiO2本身无毒、无味、对人体安全无害,可将纳米TiO2抗菌涂料涂敷于医院病房、手术室等场所的墙壁上,能很快消灭细菌,起到杀菌消毒的效果。
　　2.净化空气涂料
　　城市大气中氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOX)的污染,已成为环保亟待解决的问题之一。研究表明,将纳米TiO2配制成光催化净化大气环保涂料,利用TiO2光催化剂产生活性氧,并配合雨水的作用可将这些污染物变成HNO3、H2SO4而除掉。
　　在国外,纳米TiO2光催化方面的应用得到了快速发展,日本通用汽车公司Donald Beek等研究纳米TiO2除去汽车废气(含H2S)中硫的能力,在500℃的条件下经7h后从汽车废气中除去的总硫量比常规TiO2除去的量大5倍。更值得注意的是在暴露7h后,纳米TiO2除出硫的速度仍相当高,也就是说用纳米TiO2作为涂料助剂不仅有良好净化空气的效果,且使用周期长,利用价值高。
　　国内,利用纳米TiO2制得的净化空气涂料也相应而生,邱星林等人[4]发现,采用有机硅树脂与纳米TiO2复合而成的光催化涂料在太阳光照射条件下,可有效的降解大气中的NOx,反应如下:
　　TiO2 + hv(E>Ebg)→ e- + h+ ;
　　O2 + e- → O2- (活性氧);
　　NO2 + OH →HNO3 ;
　　NO + HO2 → HNO3
　　杨阳等[5]利用纳米二氧化钛配制水性涂料,并进行紫外光催化降解空气中的甲醛试验。试验结果表明:这种低成本的纳米二氧化钛复合涂料可以有效地分解甲醛。林劲冬等[6]用Fe3+的丙酮溶液对商品锐钛型二氧化钛进行浸渍改性,制得Fe-TiO2光催化剂,将其加入硅酸钾无机涂料体系中,得到一种光催化功能性建筑涂料。发现该功能涂料具有良好的可见光活性,能够有效而持久地在普通日光灯环境下降解甲醛。
　　(二)自清洁玻璃
　　玻璃幕墙是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法,能充分体现建筑师的想象力,展示建筑物的现代风格。然而在大量使用的玻璃幕墙中存在着耐污性差的问题。玻璃幕墙上所粘附的污垢种类复杂,清洗难度大,而且大量使用有机清洗剂后,易对周围环境造成二次污染,清洗废液的排放也是难题。因此,开发具有自清洁功能的涂层玻璃成为当前研究的重点。
　　纳米技术赋予了自清洁玻璃的新发展,通过各种方法在玻璃表面形成纳米级微粒和纳米级微孔结构的半导体氧化物TiO2薄膜,就制成了“自洁”玻璃。在TiO2表面,钛原子和钛原子之间通过氧桥连接,这种结构是疏水性的。在紫外光的照射下TiO2表面的氧和羟基间发生置换,在其表面形成了均匀分布的纳米尺度分离的亲水微区和亲油微区,从而使表面具有了油水双重亲和性。光照条件下,一部分桥氧脱离形成氧空位,此时空气中的水解离并吸附在氧空位中,成为化学吸附水,即在氧空位缺陷周围形成亲水微区,而表面剩余区域仍保持亲油性,这样就在表面形成亲水性和疏水性相间的微区,类似于二维的毛细管现象。由于水或油性液滴尺寸远远大于亲水或亲油区的面积,宏观上表面表现出亲水性和亲油性。停止光照后,化学吸附的羟基被空气中的氧所取代,重新回到疏水状态。这种超亲水作用在材料表面产生水膜,使得油污不能与材料表面牢固结合,从而易于清洗。这种玻璃可以利用太阳光,使附着于其上的油污等氧化分解,同时也起到杀菌除臭的作用,且污物不易聚集,防止结露并使光线充足[7]。我国武汉理工大学研制的自洁玻璃,其润湿角小于3°,对甲醛的降解率达90%以上[8]。