第一篇：我的論文終極版新型環境材料--納米二氧化鈦1

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納米二氧化鈦的應用及其制備方法

摘 要

本文主要通過對納米二氧化鈦結構及性能的介紹，引出其在各方面的應用，特別是在環保方面的應用。最后，從兩個不同方面來介紹納米二氧化鈦的制法。納米二氧化鈦是一種新型環境凈化材料，有板鐵礦、銳鐵礦和金紅石三種晶體結構，具有良好的光催化性能及親水性，這也是其在環境凈化方面的應用基礎，主要用于凈化水、空氣和殺菌，另外還可做建筑涂料。制備方法主要有包括兩大類：一類是氣相法，主要包括：

1、TiCl4氫氧焰水解法。

2、TiCl4氣相氧化法。

3、鈦醇鹽氣相水解法。

4、鈦醇鹽氣相分解法。另一類是液相法，主要包括：

1、溶膠一凝膠法。

2、沉淀法，其又包括共沉淀法(液相沉淀法)和均勻沉淀法。

3、溶膠一萃取法。

4、水熱合成法。

5、微乳法。關鍵字: 納米二氧化鈦、應用、制備方法

ABSTRACT

This paper mainly through nanometer tio2 structure and properties of the introduction, leads to the application, especially in the environment of application, and finally, from two different aspects to introduce a method of nano-tio2.Nano tio2 is a new type of environmental purification materials, plate iron ore, iron ore and rutile sharp three kinds of crystal structure, good light catalytic performance and hydrophilic, this also is the application in environmental purification based, is mainly used to purify water, air and sterilization, also can do architectural coatings.Preparation methods mainly includes two kinds: one is the gas phase method, mainly includes: 1, TiCl4 hydroxide flame hydrolysis method.2, TiCl4 gas phase oxidation.3, titanium alcohol salt gas phase hydrolysis method.4, titanium alcohol salt gas phase decomposition method.Another kind is the liquid phase method, mainly includes: 1, sol-gel gel method.2, precipitation, and including the total precipitation(liquid precipitation)and even precipitation.3, sol-gel extraction.4, hydrothermal synthesis.5, microemulsion methods.Key word: nanometer tio2;application;method of preparation

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目 錄

1前沿······························································4 1.1研究背景······················································4 1.2納米材料概述··················································5 1.3納米涂料的研究現狀············································7 1.4 本論文選題的的意義···········································8 2二氧化鈦結構······················································9 2.1晶格結構······················································9 2.2表面結構······················································9 3納米TiO2的性質··················································10 3.1晶型的性質···················································10 3.2光學性質·····················································10 3.3 TiO2光催化性················································10 3.3.1 Ti02光催化原理··········································11 3.4 半導體性能···················································12 4納米TiO2的性能及應用············································12 4.1 納米二氧化鈦的性能···········································12 4.2 抗菌功能·····················································12 4.3 廢水處理功能·················································13 4.4 空氣凈化功能·················································14 4.5納米TiO2改性建筑涂料········································16 4.5.1納米TiO2超親水性機理···································16 4.6應用前景及發展趨勢···········································16 5納米二氧化鈦的制備方法···········································16 5.1 文獻回顧·····················································16 5.2氣相法·······················································17 5.2.1 TiCl4氫氧火焰水解法·····································17 5.2.2 TiCl4氣相氧化法·········································18 5.2.3 鈦醇鹽氣相水解法········································18 5.2.4鈦醇鹽氣相分解法·········································19 6液相法···························································20 6.1溶膠一凝膠法·················································20 6.2沉淀法·······················································21 6.2.1 共沉淀法(液相沉淀法)·····································21 6.2.2 均勻沉淀法··············································22

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6.2.3 溶膠一萃取法············································23 6.2.4 水熱合成法··············································24 6.2.5 微乳法···················································25 參考文獻··························································26 致謝······························································27

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1前沿

1.1研究背景

1988年第1屆IVMRS國際會議(東京)上首先提出了環境調和材料。環境調和材料(簡稱環境材料)是指與生態環境和諧或能共存的材料，日本的鈴木、山本等提出，環境負擔最小，而再循環利用率最高的材料稱為環境材料。它包括節能材料；再循環材料；凈化材料；增進健康材料；調光、調溫、調濕材料；調節環境材料(包括樹木)。其中凈化材料指可凈化或吸附有害物質的材料或物質。納米TiO2光催化殺菌是目前環境凈化的研究熱點。納米TiO2光催化技術始于 1972年Fujishima和Hondar做的關于光輻照二氧化鈦可持續發生氧化還原反應的研究。1985年，Matasunaga等【５】人使用Ti/Pt 催化劑在近紫外光照射下60—120 min內殺滅了水中的微生物。自此二氧化鈦光催化殺菌的研究日益受到重視，研究對象也逐漸擴展至水體及空氣中的病毒、細菌、真菌等。

納米TiO2光催化氧化殺菌具有顯著的優點:無需昂貴的氧化試劑，空氣中的氧就可作為氧化劑；而二氧化鈦催化劑價格低廉，無毒，化學及光化學性質穩定；自然光中的紫外光就可作為光源激發催化劑，因此無需能源，系統維護費用低；氧化還原反應無選擇性，可以殺滅大多數的微生物。

隨著生活水平的日益提高，人們逐漸開始追求更為舒適的生活，室內裝修和家居成為其中的一個部分。而這些正在興起的家庭裝修和豪華家居所使用的涂料、油漆、泡沫填料等材料中含有甲醛、苯、氨氣等有機污染氣體高達300多種，這些氣體從涂料和家居中逐漸散發出來，對人的身體造成了極大的傷害【l】。通常用于控制室內污染物的方法有通風，在很多地方規定新房至少通風三個月以后才能入住；保證室內有充足的陽光照射，利用太陽光中的紫外線殺菌；加裝凈化器，用來吸附室內產生的污染物；涂覆光催化涂料。前三種方法不能從根本上清除污染物，光催化涂料能直接利用包括太陽光在內各種途徑的紫外光，在室溫下對各種有機或無機污染物進行分解或氧化，使之成為C02和H20等，達到清除這些污染物的效果。此方法能耗低、易操作、除凈度高，尤其對一些特殊的污染物有很突出的去除效果，且無二次污染。

納米Ti02是一種重要的半導體金屬氧化物，通常存在3種晶體形式：銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型【４】，其中應用最為廣泛的是銳鈦礦型和金紅石型。Ti02本身為N型半導體，具有很強的吸收和散射紫外線的能力，無刺激性，而且自身無毒、無味-無刺激性、熱穩定性與耐熱性好，具有良好的光學催化特性、耐化學腐蝕性和熱穩定性，其綜合性能良好，可廣泛應用于污水處理、空氣凈化、抗菌防臭、表面防污自潔等領域。如在涂料工業領域，通過在涂料中加入納米Ti02，可達

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到光催化分解污染物及殺死細菌的目的。

同時，納米Ti02具有超親水性和超親油性，將納米Ti02鍍于玻璃或陶瓷的表面，則鍍層表面具有高度的自清潔效應，即具有防污、防霧、易洗、易干等特點，陽光中的紫外線能維持納米Ti02表面的親水特性，從而使鍍膜材料長期保持自潔凈效應。用納米Ti02處理后的化纖也具有雙親性能，用這種化纖制作的衣服、窗簾和帳篷等也能起到自潔作用，不需使用化學洗滌劑，降低了污水的排放量。利用納米Ti02良好的化學穩定性和抗磨損性能并對其進行改性，可制備高活性光催化透明薄膜，它能直接利用太陽光來凈化環境。將這種材料的高光催化活性和超親水性相結合應用于玻璃、陶瓷等建筑材料，在軍工及民用領域具有廣闊的應用前景。

1.2納米材料概述

納米材料是指由納米結構單元構成的任何類型的材料，一般泛指1—l00 nm的顆粒，是納米科技領域最富有活力，研究內涵十分豐富的學科。而從廣義上來說，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本結構單元構成的材料。按照維度劃分，納米材料可分為以下幾類【１６】: 零維，指空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度的粒子、原子團簇等。

一維，指空間有兩維均處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等。

二維，指空間有一維處于納米尺度，如超薄膜、超晶格、多層膜。

三維，指納米晶粒結構組成的塊材。

由于納米材料介于宏觀物質和微觀原子、分子交界的過渡區域，從通常的關于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系統，這種特殊結構派生出傳統固體不具有的許多特殊性質【６】。

1、小尺寸效應。

2、表面效應。

3、量子尺寸效應。

4、宏觀量子「遂道效應。

5、介電限域效應。

納米顆粒所具有的小尺寸效應、量子尺寸效應、界面效應、宏觀量子隧道效應和介電限域效應導致了納米材料在結構、光電、磁學和化學性質等方面表現出特異性由于納米材料的奇特性質，納米科學和納米技術受到越來越多的關注。隨著納米材料的研究進展，研究內涵不斷拓展，如今納米材料科學不僅涉及納米顆粒、超薄膜、納米管，而且涉及無實體的納米空間材料，如微孔和介孔材料，有序納米結構及其組裝體系等;而且還不斷涌現出新的研究對象。

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R.W.Siegel將納米結構的研究和應用領域劃分成四部分（圖1—1）:分散與涂層、高比表面積材料、功能納米器件及塊體材料這四個領域都不可避兔地涉及納米粉體的分散和表面改性納米顆粒的均勻分散是各種材料改性后性能能否得到提高的關鍵，采用各種納米粉體表面改性技術，可以使納米粉體的表面和基體具有兼容性。

圖1-1納米結構的研究和應用領域

納米粉體的分散和表面改性【１５】被廣泛應用在眾多領域中，歸納如下。

1、化妝品在化妝品行業，納米粉體的分散技術具有極高的商業價值，因為化妝品的顏色和耐光度都是通過組分的混合而調制出來的。將一定顆粒尺寸的納米材料添加到防曬液中，納米粒子可散射紫外光，但不反射可見光，起到防護作用。

2、醫療和藥物表面改性后代納米磁性氧化鐵顆粒用于可控藥物運輸。可將藥物釋放到指定部位，藥物濃度在較長的時間內維持合適的水平，防止了給藥初期的降解。另外，由于納米顆粒小，可以減少藥物劑量

3、紙張、涂料將一定濃度的納米氧化硅分散到紙漿中，可使表面更加光滑、潔白。將納米顆粒添加到涂料中，一方面可抗紫外線，另一方面納米顆粒的比表面積大，能在涂料干燥時形成網絡結構，同時增強涂料的強度和光潔度。

4、塑料改性將分散好的納米顆粒均勻地添加到樹脂材料中，可增強塑料性能的作用。或制成有特殊功能的材料如:有吸收紅外線性能的玻璃鋼;高絕緣性能的玻璃鋼。

5、陶瓷材料將納米顆粒均勻分散到陶瓷基體中，可改善和提高材料的力學性能。如納米SiO2顆粒對A12O3,Zr0的增強增韌。

可見，納米粉體的分散和表面改性是將粒子由砌塊狀態轉變成具有各種特殊性能的納米材料的關鍵。

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1.3 Ti02納米涂料的研究現狀

Ti02光催化自清潔效應【３】包括兩個方面：一是利用涂料的光催化性能，經太陽光照射發生氧化一還原反應，使表面生成具有氧化性極強的羥基，將附著在外墻、玻璃表面的有機物以及微生物、細菌分解；二是利用涂料經太陽光照射后，表面具有超親水性，這樣雨水沖刷時不會形成雨痕，而是平鋪在材料表面，并將表面的污物沖刷干凈，從而達到自清潔的作用．并且具有防霧功能。這一效應是制各自清潔涂料最具吸引力的方法之一，目前在這一方面的研究也較多。但是Ti02用作光催化劑有兩大缺陷：

1、它是一種寬帶隙半導體材料，只能用紫外光激發，而太陽光中紫外線的含量不到5％，故太陽能利用率較低；

2、光生電子空穴對容易復合，這在很大程度上降低了其光催化效率。

目前，增強納米TiO2對可見光響應性的改性方法主要有以下幾種：貴金屬沉積法、金屬／非金屬離子摻雜、半導體復合等。沉積貴金屬之所以能改善光催化劑的活性，是因為金屬與Ti02具有不同的費密能級。大多數情況下金屬的功函數高于半導體的功函數。當二者接觸時．電子發生轉移，從費密能級高的Ti02轉移到費密能級低的金屬，直到二者費密能級相匹配。在二者接觸后形成的空間電荷層中，金屬表面獲得過量的負電荷，半導體表面顯示出過量的正電荷，于是導致能帶向上彎曲形成肖特基勢壘，能有效地充當電子勢壘阻止電子與空穴的重新復合。目前，常見的沉積貴金屬有Pt、Pd、Au等。

Sahoo等【１２】人認為貴金屬Ag附載在Ti02表面既可抑制光生電子一空穴對的復合又可以擴展Ti02光催化劑的可見光響應范圍。Hyung等人則認為Ag的附載只能提高Ti02在可見光下的催化活性，對于Ti02在紫外光下的光催化效果提高不是很明顯。周娟等人則以鈦酸丁酯為鈦源，采用溶膠一凝膠法制備Ag—Ti02溶膠，將其涂覆在載玻片上制得高光催化活性的透明薄膜，通過改變pH值和兩種不同照射光源，對甲基橙溶液進行光催化降解及其它性能分析，結果表明，當pH值在3—6的范圍，不論哪種照射光源，甲基橙降解率可達到83％；光催化薄膜由粒徑10nm—20nm的AgNO3和Ti02顆粒構成，銳鈦晶形結構在500—550℃轉變充分。楊昕宇等人也采用溶膠—凝膠方法制備Ag摻雜Ti02，摻雜Ag的摩爾濃度為lmo1/L、2mo1/L、5mo1/L，利用XID對Ag不同摻雜濃度的Ti02的晶型結構進行了表征。結果表明：摻雜Ag降低了Ti02從銳鈦礦相向金紅石相轉變的溫度，促進了Ti02晶型結構的轉變，并且適量的摻雜，可以使具有光催化活性的銳鈦礦粒子粒徑減小。

柳清菊等【14】人采用溶膠一凝膠法及浸漬提拉法在普通的載玻片上制得含不同摻銀量的Ti02薄膜，通過對薄膜及相應粉體的XRD、XPS及薄膜致密度的測量，分析了銀的摻雜量對Ti02薄膜親水特性的影響。結果表明：Ti02薄膜中銀的摻雜量小于等于635mol/L時有利于Ti02薄膜親水性能的改善；表面羥基和表面橋氧的含量對Ti02薄膜的親水性能均有直接影響。

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摻入金屬離子改善Ti02光催化性能的機理：金屬離子摻雜可以在半導體晶格中引入空穴位置或改變結晶度等，從而影響電子一空穴對的復合，提高對可見光的利用率。如成為電子或空穴的陷阱而延長其壽命，或成為電子一空穴的復合中心而加快了復合，因此摻雜適量的金屬離子，不僅可以提高光催化效率，同時可使反應在可見光下進行。常見的摻雜金屬元素有Fe、cr、Ni、Co、Zn、Cd等。對Ti02進行改性的過渡金屬元素中尤其以鐵元素改性最多。

王軍等【７】人以鈦酸丁酯為前驅體，采用溶膠一凝膠法制備Fe—Ti02納米光催化劑，并用純Ti02和Fe—Ti02做光催化劑，對甲基橙溶液在紫外光下進行光催化降解試驗。結果表明：摻雜鐵離子可以有效提高Ti02的光催化活性，選用摩爾比(Fe／Ti02)為0．05％、500℃下煅燒得到的Fe—Ti02催化劑，在甲基橙溶液pH=

3、催化劑用量為1g/L時，其光催化活性達到最佳效果。陳麗瓊掣【8】人制備了摻銀的納米Ti02光催化改性涂料，研究結果表明該涂料在可見光下去除有機物性能突出，24h內對苯和甲醛的去除率分別為69.1％和71.1％，而且可大大降低VOC、甲醛、重金屬等有害物質含量。

宋林云【9】以鈦酸丁酯為前驅體，冰醋酸為螯合劑，利用溶膠一凝膠法制各出摻雜金屬Co復合改性的納米Ti02的光催化劑，并研究了不同摻雜量對Ti02相變和光催化性能的影響，結果表明，C0的摻雜對銳鈦礦型Ti02有穩定作用，阻礙Ti02由銳鈦礦型向金紅石型的轉變；經過改性的納米Ti02晶粒尺寸在10nm—20nm之間，Co—Ti02光催化劑的最佳熱處理溫度是500℃，最佳Co摻雜濃度為Co／Ti02(mol)=0．1，紫外光下照射3h，最高光催化降解甲基橙效率達到85％。

稀土元素具有豐富的能級和4f電子躍遷特性，易產生多電子組態，其氧化物具有多晶型、熱穩定性好以及吸附選擇性強等特點。在Ti02晶格中引入稀土元素，能夠使其形成晶體、引起晶格畸變，進而影響到Ti02晶型轉變、晶粒大小、能帶結構、光生電子一空穴對的運動狀態和壽命等，大量研究表明適當的摻稀土元素可以使Ti02光響應值紅移，晶粒尺寸減小，光生載流子的復合率降低，抑制銳鈦礦型向金紅石型的轉變，增強光催化劑的吸附能力及光吸收能力，使Ti02光催化活性得到有效提高【3】。

非金屬摻雜不僅能夠增強其可見光相應能力，而且能保持紫外區光催化活性。摻雜非金屬在抑制晶型轉變、改變樣品的光吸收率以及抑制光生載流子復合等方面具有明顯影響，能提高納米Ti02的光催化效率。常見的非金屬摻雜元素有雜N、S、C、F等【9】。

1.4 本論文選題的的意義

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隨著我國環境低碳產業和建筑節能的實施，對新型環境友好型材料的需求越來越大，同時要求這種環境友好型材料具有以下特點：不易附著污染或者附著的污染物能借助于雨水、風力等外界自然條件被去除，能夠凈化空氣、降解有害污染物、抗菌殺毒作用等特點。納米Ti02用于環境友好型材料發展的一個重大研究方向，因為Ti02具有較高的光催化效率、良好的化學穩定性、無毒性。

2二氧化鈦的結構

2.1晶格結構

二氧化鈦有板鐵礦、銳鐵礦和金紅石三種晶體結構【２】，其組成結構的基本單位均是TiO6八面體，區別在于TiO6八面體通過共用頂點還是共邊組成骨架，見圖2-l。銳鈦礦結構是由TiO6八面體共邊組成，而金紅石和板鈦礦結構則是由八面體共頂點且共邊組成。金紅石、銳鈦礦和鐵鈦礦的基本結構單元列于圖2-2。

圖2-1 TiO6結構單元的

圖2-2 基本結構單元

板鈦礦和銳鈦礦是TiO2的低溫相，金紅石是TiO2的高溫相。銳鈦礦和板鈦礦到金紅石的相轉化溫度一般為500—600℃。金紅石型TiO2有很強的遮蓋力和著色力，且對紫外線有較強的屏蔽作用，銳鈦礦型TiO2的光催化活性最高。

2.2表面結構

金紅石型表面上存在三種典型的原子空位，分別為晶格氧、單橋氧和雙橋氧空位。光電子能譜(UPS)和IPS研究結果表明：在6eV所對應的全充滿的價帶是由O2P軌道組成，而空的導帶由Ti的3d，4s和4p軌道組成，Ti3d決定導帶的9/26

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較低位置。低于費米能級～0.8eV弱的發射峰與O原子缺位所誘導的Ti3d派生能級有關。銳鈦礦二氧化鈦與金紅石相似，～0.8eV的發射峰被確定為Ti3+表面缺陷。Konstantin等【１８】人的研究則發現，在銳鈦礦TiO2表面發現有羥基、五配位和四配位Ti4+，T3+存在。Stelhow等【１】人的理論計算結果表明，銳鈦礦型Ti02的價帶主要為O2p和Ti3d軌道組成，O2p軌道貢獻較大，TiO2禁帶寬度大約為10eV，但實測值大約為3.0～3.5eV。

3納米TiO2的性質

3.1晶型的性質

TiO2存在金紅石型、銳鈦型、板鈦型等三種主要晶型。板鈦型是不穩定的晶型，在650℃時會直接轉化為金紅石型。板鈦型只存在于自然界的礦石中，數量也不多。它不能用合成的方法來制造，在工業上沒有實用價值。銳鈦型在常溫下是穩定的，但在高溫下卻要向金紅石型轉化。納米TiO2有很高的化學穩定性、無毒性、非遷移性，完全可與食品接觸。金紅石型納米TiO2的耐候性、熱穩定性、化學穩定性均優于銳鈦型。

3.2光學性質

納米TiO2晶體的光學性質服從瑞利（Rayleigh）光散射理論，能透過可見光及散射波長更短的紫外光，表明這種粒子具有透明性和散射紫外線的能力，普通TiO2具有一定的吸收紫外線的能力。納米TiO2粒徑很小，因而活性較大，吸收紫外線的能力很強。由于TiO2納米粒子既能散射又能吸收紫外線，故它具有很強的紫外線屏蔽性。納米TiO2顆粒因其具有特殊的光學性能，近年已經被應用于金屬防腐蝕領域。當將納米TiO2顆粒涂覆于金屬表面或作光陽極與金屬相連時，在紫外光照射下，TiO2顆粒的價帶電子被激發到導帶，導帶上的光生電子會向金屬轉移，使金屬的電極電位降低而達到防銹目的。化學法制備的納米TiO2粉體或溶膠在紫外光的照射下光催化作用比較強，生成的電子空對與水反應會生成具有強氧化性的基團。當作為防銹填料用于涂料中時，會對涂層的成膜樹脂產生分解破壞的作用，因此需要對化學法制備的納米TiO2粉體或溶膠進行包覆改性。機械研磨法制備的納米TiO2粉體表面存在著大量的缺陷，光催化作用較緩和，對成膜樹脂的破壞作用較弱。

3.3 TiO2光催化性

傳統的Ti02作為一種常用的化工原料，因其卓越的顏色性能被廣泛地用作顏料、涂料、油墨和紙張的增白劑。它同時也是重要的陶瓷、半導體及催化材料。納米TiO2問世于20世紀80年代后期，由于其粒徑很小、比表面積大、界面原子所占比例大而具有更為獨特的性能。例如：優異的紫外屏蔽作用、透明無毒、奇

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特的顏色效應及光化學催化作用等，使其一經面世即備受青睞，在汽車工業、防曬化妝品、高級涂料、廢水處理、殺菌、環保、吸附劑及功能陶瓷材料等方面有著廣闊的應用前景。納米Ti02正是以其特有的性質和廣闊的應用前景引起了人們的普遍關注，對它的制備、性能展開了深入的研究并且不斷地開發出了含有納米Ti02的各種產品。3.3.1 Ti02光催化原理

二氧化鈦的能帶是不連續的，價帶和導帶之間存在一個禁帶。其機理如圖1-1所示，在光照條件下，如果光子能量達到或超過其帶隙能時，其價帶電子被激發躍遷進入到導帶，在導帶上產生帶負電的高活性電子，在價帶上留下帶正電荷的空穴。在適合條件下，電子與空穴分離并遷移到粒子表面不同位置，還原和氧化吸附在粒子表面的物質。光致空穴有很強的得電子的能力，可奪取半導體顆粒表面有機物或溶劑中的電子，而電子受體則通過接受表面上的電子被還原。選用合適的俘獲劑或表面空穴來俘獲電子或空穴，電子和空穴的復合就會受到抑制，隨即發生氧化還原反應。通常認為空穴對有機物的氧化分解是通過羥基自由基(-OH)完成的。

光催化機理可用下列公式說明:

圖1-1光催化機理

羥基自由基是一種活性非常強的物質，對光催化反應起著決定性的作用，可破壞有機物中的C-C、C-O、C-H、C-N等化學鍵，從而使有機物徹底氧化。從上述反應式可知，吸附于表面的氧及水合懸浮液中的OH-、H20等均可產生(·OH)。該基團的氧化作用幾乎沒選擇性，可以氧化包括難生物降解化合物在內的眾多有機物，使之完全氧化，分解成C02和H20，最終達到凈化空氣的目的。在實際應

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用中人們采用的是納米二氧化鈦，這是因為納米二氧化鈦表現出傳統鈦白粉所不具有的奇異性能，采用納米材料作為光催化產品的理論基礎在于：隨著晶粒尺寸的減小，比表面增大，有害氣體吸附的幾率增大，增加了反應幾率；納米級的材料隨著粒徑的減小，表面原子迅速增加，光吸收效率提高，從而增加了光生載流子的濃度；納米材料所具有的量子尺寸效應使其能隙變寬，導帶電位變得更負，而價帶的電位變得更正，使其獲得了更強的氧化還原能力，從而提高了催化活性。

3.4 半導體性能

由于存在著顯著的量子尺寸效應，納米TiO2具有特殊的光物理和光化學性質。當粒子尺寸與其激子玻爾半徑相近時，隨著粒子尺寸的減小，半導體粒子的有效帶隙增加，其相應的吸收光譜與熒光光譜發生藍移，從而在能帶中形成一系列分立的能級。近年來對納米TiO2的研究表明，納米粒子的光催化活性明顯優于相應的體相材料。

4納米TiO2的功能及應用

4.1 納米二氧化鈦的性能

納米TiO2作為一種21世紀的新型多功能材料，廣泛應用于環境保護、化妝品、涂料、特殊材料的制備以及醫藥等方面。納米Ti02是一種附加值很高的功能精細無機材料，它不但保持了常規Ti02的物理、化學性質，而且由于顆粒尺寸的微細化，使其具有塊狀材料所不具備的小尺寸效應、量子尺寸效應、界面效應和宏觀量子隧道效應，因此使得納米TiO2具有許多獨特的性質,如:比表面積大、表面張力大、熔點低、磁性強，且吸收紫外線的能力強等【１４】。

當Ti02粒子在幾個納米范圍內即與德布羅意波長相近，半導體Ti02納米微粒的電子態由體相材料的連續能帶過渡到分立結構的能級，顯示出尺寸量子化的特點。Bruslnl 提出的球箱勢阱模型認為:納米TiO2由于量子尺寸效應帶來的能級改變，能隙變寬，會使微粒的光吸收發生藍移，發射能量增強，光催化驅動力增大，可導致光催化活性提高，光電化學性質穩定。此外，納米粒子的表面效應使得納米Ti02的比表面積、表面自由能以及表面結合能都迅速增大納米Ti02表面原子數增多，導致 TiO2表面的部分鐵原子缺少氧配位，使得納米TiO2處于嚴重缺氧狀態，易于形成束縛激子;同時，納米Ti02表面存在大量懸鍵，在能隙中形成缺陷能級，使納米Ti02表面具有很高的活性這對納米Ti02的光學、光化學以及電化學都具有重要影響。

4.2 抗菌功能

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1、抗菌涂料

人類環境中存在各種爭樣的有害微生物，微生物大量繁殖，對人體健康構成威脅，并產生不良的氣味和污斑等。為殺滅和抑制微生物的生長，人們開發了納米二氧化鈦抗菌涂料。這種涂料具有以下其他抗菌材料所不具有的優點：首先，同時具有抗菌和殺菌的效應，光催化產生的活性羥基能分解這些有機營養物，從而在很大程度上減少細菌數量，達到抗菌和殺菌的目的：其次，有徹底的殺滅性，它不但能殺死細菌而且還能穿透細胞膜，破壞細胞膜結構，降低細菌釋放出的有害毒物；再次，這種抗菌涂料本身安全，化學穩定性好，二氧化鈦在理論上本身不消耗，可長久使用。在光催化治療癌癥方面，研究表明，TiO2受光激發生成的 ·OH和·O；以及H202能夠氧化癌細胞并導致癌細胞的死亡。Ti02顆粒本身對有癌細胞沒有毒性，但是當它被光照時具有了殺死癌細胞的能力，當加入過氧化物，使超氧基轉變成過氧化氫時。TiO2顆粒的這種殺傷能力明顯地增強。

吳健春【６】采用銳鐵型納米Ti02載銀載鈰復合改性純內墻乳膠漆，并對改性后的內墻涂料進行了定性的抑菌環試驗、定量的抑菌率試驗，試驗結果表明，納米TiO2載銀載鈰復舍改性后的內墻涂料具有優異的抗菌性能，經24h后，改性內墻涂料的抑菌率達到99．9％以上。

在日常生活中人們是離不開塑料制品的，如衛生間設施、桌而、垃圾箱、廚房用具、家用電器的塑料外殼、食品包裝袋等等，由于溫度、濕度合適，非常容易滋生感染細菌。因此，對此類材料進行抗菌處理，是極其必要的。徐瑞芬等利用納米Ti02作為無機抗菌劑，研制抗菌廣譜長效的功能塑料結果表明:采用銳鈦礦型納米二氧化鈦，經表而包覆處理，呈現較好的分散性，與PE樹脂等高分子材料有較好的相容性，將其制備成抗菌塑料，具備長效廣譜的抗菌效果，安全穩定，實施方便，在凈化環境方而具有廣闊的應用前景。

2、抗菌陶瓷

在20世紀80年代末，工業發達國家在醫院、餐廳、高級住宅率先使用了抗菌陶瓷。人們在使用陶瓷制品如浴盆、便池、碗、碟、盤以及各類建材，如內墻磚、地磚等時，這些場所有著細菌賴以生存的溫度和濕度，會使這些陶瓷的表而沾染和滋生各種致病菌，人們與之接觸后很容易受到感染。因而人們研制出了對人無害的抗菌陶瓷，它是在已制好的陶瓷成品表而鍍上一層納米無機粒子(如TiO2或TiO2摻金屬離子溶膠凝膠薄膜)，再經過低溫燒結，實現光催化抗菌功能。

日本市場出售的抗菌瓷磚是在上釉后噴涂含二氧化鈦粉末的液體(分散液)，在800℃以上焙燒形成厚1mm以下的二氧化鈦膜而制成的，此二氧化鈦膜即使用海綿刷也不會擦掉，對大腸桿菌、等金黃色葡萄球菌均有良好的抗菌效果【１６】。

3、抗菌纖維

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在抗菌產品中，內衣、鞋襪、手術服、護士服、繃帶、尿布、床單及兒童服裝等纖維制品的生產加工得到人們的關注二次世界大戰中，德軍由于穿用經抗菌加工的軍服而減少了傷員的細菌感染抗菌纖維是將微粉（含有納米TiO2和SiO2等)摻入天然材料、聚合物或長絲中而紡制出的，具有抗菌和除臭功能自1982年以來，日木相繼開發出多種除臭纖維，而且新產品不斷問世。纖維中摻加納米二氧化鈦制成的產品比一般的抗菌織物具有更強的抗菌效果和更多的耐洗次數。因而，越來越受到人們的青睞【１３】。

4.3 廢水處理功能

光催化降解水中有機污染物是一項新興的水處理技術。這項新的多相光催化污染治理技術因其能耗低，工藝簡單，反應條件溫和，可減少二次污染等特點，在環境保護中日益受到人們的重視。納米TiO2能有效地將廢水中的有機物降解為CO2、H2O、PO43-、N03-、鹵素等無機小分子，達到安全無機化的目的，染料廢水、農藥廢水、表面活性劑、氟里昂、含油廢水等都可以被納米TiO2所氧化降解。處理重金屬離子以納米TiO2作光催化劑時，能夠捕獲表面的光生電子發生還原反應，如Cry+, Hg3+降解成毒性較低或無毒的離子利用此一性質還可回收水中的貴金屬離子。當金屬離子接觸其表面使高價有毒的金屬離子Cr

3十、Hg十，減少危害【１７】;4.4 空氣凈化功能

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，工業排放的有毒有害廢氣量的快速增加，嚴重地污染空氣，特別是揮發性有機物VOC對人的危害極大，為此必須進行處理。目前常用的處理有機廢氣的方法有兩類：一類是破壞性方法，如焚燒法和催化燃燒法等，即將VOC轉化為C02和H20；另一類是非破壞方法，即回收法，常用的方法有吸附、冷凝和膜分離等。20世紀90年代，國際上開始嘗試用光催化氧化法去除有機廢氣。光催化氧化法是在正常環境下能將有機廢氣分解為C02、H20和無機物質，反應過程快速高效，且無二次污染問題。研究表明，醛類、酮類、醇類等含氧有機物、烯類、炔類等不飽和烴及鹵代烴具有較好的降解性，而短鏈烷烴、玩烷烴、多環烷烴的光催化降解性較差，有機物光催化降解的難易主要與其結構的穩定性有關【7】。由于二氧化鈦光催化氧化過程可以在常溫常壓下進行，所以特別適用于人類生存空間的氣體凈化。例如，空氣中汽車尾氣中的氧化氮和氧化硫，當它們與其他污染物共存時，強光照射下可產生強氧化性的光化學煙霧，造成橡膠制品開裂，傷害人的眼睛和植物的葉子，使大氣能見度降低，可以利用二氧化鈦光催化作用產生活性氧，并配合雨水的作用將它們變成HN03和H2S04而除去。這些酸在空氣中以酸雨的形式沉降，和天然初期降雨中的酸離子濃度相差不大，通常能被粉塵中的堿中和【7】。在室內，在暖氣、空調和制冷

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系統中加入納米Ti02，能夠消滅、分解或清除室內裝飾材料釋放的甲醛、氨氣和苯等以及大氣環境中常見的氮氧化物和硫氧化物，有效凈化室內空氣，促進人體健康【４】。

隨著室內裝修越來越被人們重視，隨之而來的室內環境問題也更多地擺在人們面前。由于人造木制板材、涂料、混凝土構件、各種石材及黏合劑的大量使用，還有其他木制家具不斷釋放各種有害氣體如甲醛、苯系物、氨、揮發性有機化合物等，使室內污染問題相當嚴重，長期接觸可引發各種疾病，嚴重危害人們的健康。采用二氧化鈦光催化技術，主要是多相多元催化，能夠保證在常溫常壓下把多種有害有味氣體分解為無害無味物質。這種技術使單純的物理吸附轉變為化學吸附，邊吸附邊分解，分解徹底，無二次污染，而且吸附材料壽命長，可長久使用。

4.5 納米TiO2改性建筑涂料

利用二氧化鈦的光催化性和超親水性，將納米TiO2摻入建筑涂料中，可以提高涂料的防水性，防玷污性。納米二氧化鈦粉體對紫外線有很好的屏蔽能力，故納米二氧化鈦改性涂料的耐候性增強。有關專家認為，采用新技術研制出的納米TiO2改性涂料與傳統涂料相比，對人體，環境無任何傷害。4.5.1納米TiO2超親水性機理

在納米TiO2表面，鈦原子和鈦原子間通過橋氧相連，這種結構是疏水性的，在光照條件下，一部分橋氧脫離形成氧空位。此時，水吸附在氧空位中成為化學吸附水(表面羥基)，在其表面形成均勻分布的納米尺度的親水微區。當停止光照，化學吸附的羥基被空氣中的氧取代，重又回到疏水狀態。

納米TiO2的防污主要是防止有機物在涂料表面的積聚，其作用機理一是其分解作用，在光照下納米TiO2不斷分解聚積于涂料表面的有機物，使涂料表面吸附的灰塵失去和涂料之間的夾層“有機膠粘劑”，從而很容易除去；二是其超親水性，在涂料表面產生一層水膜，將油性污染物與表面隔絕，不易在表面積聚。通過以上雙重作用，使涂料具有長期耐沾污效應。由于銳鈦型納米TiO2具有高的化學活性，因而也存在破壞涂膜，使其粉化的缺點。可通過對銳鈦型Ti02進行表面處理以降低其化學活性和通過選擇適當的添加量來解決這一問題。

4.6應用前景及發展趨勢

隨著科學技術的發展，人們的生活水平逐步得到提高，受健康衛生的現代消費理念驅動，人們呈現出對抗菌材料制品越來越旺盛的需求態勢，據不完全統計，目前僅家用電器領域，內地的抗菌類家電的銷售額已達到140億元，而5年前我國的抗菌制品市場還是一片空白。日木在抗菌制品開發方而居世界領先地位，盡管我國已開始著手此方而的研究和應用，但尚屬起步階段。納米Ti02是一種新

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型的無機抗菌劑，具有優異的光催化性能及廣譜的殺菌效能，已經引起了國內外許多領域科學家的廣泛關注，而我國鈦資源豐富，而二氧化鈦光催化劑又是“清潔的”抗菌劑，優先考慮發展此類抗菌材料，躋身于國際先進水平，對創造潔凈環境，保護人民健康具有重要作用。

5納米二氧化鈦的制法

5.1 文獻回顧

納米二氧化鈦由于在精細陶瓷、屏蔽紫外線、半導體材料、光催化材料，尤其目前在抗菌方面得到廣泛應用，越來越受到人們關注，已成為超細無機粉體合成的一個熱點。納米超細二氧化欽粉體的制備方法，可以概括為氣相法和液相法。

5.2氣相法

5.2.1 TiCl4氫氧火焰水解法

該法是將TiCl4氣體導入高溫氫氧火焰中（700-1000℃)進行氣相水

解反應制備納米二氧化欽，其化學反應式【４】:

生產工藝流程示意圖為【3】：

TiCl4火焰水解圖法制備納米Ti02的工藝流程圖

TiCl4氫氧火焰水解法最早由德國德固薩公司(Degussa)開發成功并生產當前納米級超細TiO2粉體的著名牌號之一P25;此外，還有美國的卡博特公司和日本的Aerosil公司等采用這種方法生產超細Ti02粉體。采用這種工藝制備的粉體一般是銳鈦型和金紅石型的混合型，產品純度高(99.5%),粒徑小(21 mn).表面積大、無孔、分散性好和團聚程度較小的特點，主要用于電子材料、催化劑、紫外屏蔽劑和功能陶瓷等。

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該工藝特點是過程較短，自動化程度高，但過程溫度較高，且HC1的生成使設備腐蝕嚴重，對設備材質要示較嚴，對工藝參數控制要求精確，因此產品成本較高，一般廠家難以承受。5.2.2 TiCl4氣相氧化法

這種方法與氯化法制造普通金紅石型的原理相類似，只是工藝控制條件更加復雜和精確，其基本化學反應式【９】：

生產工藝流程示意圖為【８】：

圖2-2 TiCl4氣相氧化法制備制備納米Ti02的工藝流程圖

方案A中，超細粒子Ti02在反應器中生成，在生長器中完成銳鈦型向金紅石型的轉變;方案B中，粒子的生成、生長和晶型的轉變在第I、II反應器中同時進行。

這種工藝還處于實驗室小試階段，該工藝的關鍵是要解決噴嘴和反應器的結構設計及鈦白粉粒子遇冷壁結疤的問題。該工藝的優點是自動化程度高，原料易得，產品粒度細，單個顆粒分散性好，可以分別制備出銳鈦礦型、混晶型和金紅石型納米Ti02粉體。但副產品為有害氣體氯氣、蝕性大、且溫度高，對設備要求高、技術難度大、產量不高。5.2.3 鈦醇鹽氣相水解法

該工藝最早是由美國麻省理工學院開發成功的，可以用來生產單分

散的球形納米TiO2，其化學反應式【１０】:

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生產工藝流程示意圖為【１２】：

圖2-3鈦醇鹽氣相水解法制備納米Ti02的工藝流程圖

生產中，將鈦醇鹽蒸氣和水蒸氣分別引入反應器的反應區，鈦醇鹽蒸氣經噴霧和載氣激冷形成Ti(OR)4氣溶膠顆粒，然后與水蒸氣快速水解形成二氧化鈦超細顆粒。反應溫度一般在350—700℃之間，所制備的納米TiO2通常為非晶型或銳鈦礦型，如果得到金紅石型納米TiO2需經過高溫鍛燒。

日本曹達株式會社和出光興產株式會社就是采用這種式藝生產納米二氧化鈦。通過改變反應區內各種蒸氣的停留時間、摩爾比、流速、濃度以及反應溫度來調節納米二氧化鈦的粒徑和粒子形狀。這種工藝可以獲得平均原始粒徑為10 —150mm，比表面積為50—300㎡/g 的非晶型納米二氧化鈦。所制備的納米二氧化鈦可用于油漆、高分子材料和催化劑等領域。

這種工藝的特點是操作溫度較低，能耗小，對材質要示不是很高，并且可以連續化生產，缺點是原料鈦醇鹽昂貴，不能直接合成金紅石型納米二氧化鈦。5.2.4鈦醇鹽氣相分解法

該工藝以鈦醇鹽為原料，將其加熱氣化，用氮氣、氦氣或氧氣作為載氣將鈦醇鹽蒸氣預熱后導入熱分解爐，進行熱分解反應。以鈦酸丁酷為酯:

日本出光興產公司用這種方法生產球形非晶型納米Ti02，據稱，為提高分解反應速率，載氣中最好含水量有水蒸汽，分解溫度以250—350℃為合適，鈦

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醇鹽蒸氣在熱分解爐的停留是間為0.1—10 s，其流速為10—1000mm/ s，體積分數為0.1%—10%,為提高所生成納米Ti02的耐候性，可向熱分解爐同時導入易揮發的金屬化物(如鋁、鈉的醇鹽)蒸氣，使納米TiO2粉體制備和無機表面處理同時進行。這種納米Ti02可以用做吸附劑、光催化劑、催化劑載體和化妝品等。該工藝特點是可實現連續生產，反應速度快。所得的納米TiO2為無定型粒子，分散性好、表面活性大。但設備的型式、材質，反應的加熱和進料及產物顆粒的收集和存放等問題有待進一步研究。

除了上述各種氣相合成法外，氣相法還有低溫等離子體化學法、flat強光離子束蒸發法等，雖然這些方法制得的粉體純度高、粒徑分布窄、分散性好，但由于生產成本高，應用價值不大。

6液相法

6.1溶膠一凝膠法

溶膠一凝膠法是制備納米材料的濕化學方法中較為重要的一種，以鈦醇鹽Ti(OR)4 為原料，通過水解和縮聚反應制得溶膠再進一步縮聚得到凝膠。凝膠經干燥、鍛燒得到納米二氧化鈦其反應如下:

生產工藝流程示意圖為【１６】：

溶膠—凝膠法制備納米TiO2的工藝流程圖

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利用溶膠一凝膠法制得的TiO2粉末分布均勻、分散性好、純度高、鍛燒溫度低、反應易控制、副反應少、工藝操作簡單，能適用于如電子陶瓷等對粉料要求高的應用領域，但是原料成本高，工藝復雜。

6.2沉淀法

沉淀法是在包含一種或多種粒子的可溶性鹽溶液中加入沉淀劑后，形成不溶性的氫氧化鈦或鹽類從溶液中析出，并將溶液中原有的陰離子洗去，經高溫鍛燒即得到所需的氧化物粉料。沉淀法一般分為共沉淀法和均勻沉淀法。6.2.1 共沉淀法(液相沉淀法)含有多種陰離子的溶液中加入沉淀劑后，所有粒子完全沉淀的方法稱為共沉淀法。

（1)TiCl4堿中和水解法

該法以TiCl4為原料，用水稀釋到一定濃度，再加入堿性溶液進行中和水解，沉淀析出TiO?H2O過濾、干燥、鍛燒處理后即得納米二氧化鈦其化學反應式為:

生產工藝流程示意圖為【１３】：

TiCl4堿中和水解法制備納米Ti04的工藝流程圖

美國的Tiolide公司便是利用這種方法合成針狀金紅石納米二氧化鈦產品，日本石原產業公司生產的TTo系列納米二氧化鈦產品可能也是利用這種方法生產的。這種方法所制備的二氧化鈦質地白，可用于制備陶瓷、化妝品等。（2)TiOS4解法

以TiOSO4為原料，將其配制成一定濃度的溶液后，進行堿中和水解或加熱水解，形成的二氧化鈦水合物經解聚 ,洗滌、干燥處理后，根據不同的鍛燒溫度便得到不同晶型的納米Ti02產品。其化學反應式為:

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生產工藝流程示意圖為【１４】：

TiOSO4水解法制備納米Ti02的工藝流程圖

日本帝國化工公司的SIT系列產品和芬蘭凱米拉公司的LTV-Titan系列產品就是通過這種工藝生產的。

TiCl4堿中和水解法和TiOSO4水解法工藝的突出優點是原料來源廣，產品成本較低，但工藝路線長，對設備材質的耐腐蝕性要求很高，制備技術難度較大，各個工序的工藝參數須嚴格控制，否遇難以得到分散性好的納米Ti02產品。6.2.2 均勻沉淀法

均勻沉淀法是利用某一化學反應使溶液中的構晶離子由溶液中緩慢、均勻地釋放出來。該法中加入溶液的沉淀劑不立刻與沉淀組分發生反應，而是通過化學反應使沉淀物在整個溶液中緩慢生成此類沉淀劑。代表性試劑是尿素，其反應原理如下【１５】:

生產工藝流程示意圖為【１６】：

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均勻沉淀法制備納米Ti02的工藝流程圖

日本帝國化工公司、石原產業公司、氧化欽公司、芬蘭凱米拉公司等都采用與此相似的方法生產超細TiO2。

該法的優點是由于沉淀劑是通過化學反應緩慢生成的，因此，只要控制好生成沉淀劑的速度，就可避免濃度不均勻現象，使飽和度控制在適當范圍內，從而控制粒子的生長速度，獲得粒度均勻、致密、純度高、便于洗滌的納米TiO2粒子。在此工藝中，尿素的水解速度是決定超細TiO2顆粒粒徑和產物收率的關鍵。6.2.3 溶膠一萃取法

溶膠一萃取法為相轉移法的一種，其化學原理為: 沉淀反應:

膠溶反應:

熱處理：

生產工藝流程（以硫酸氧鈦液為原料)示意圖為【１７】：

溶膠—萃取法制備納米Ti02的工藝流程圖

溶膠一萃取法的制備過程為:將堿性水溶液按一定比例加入到TiOSO4水溶

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液中，生成二氧化鈦水合物沉淀，再加酸使其變成帶正電荷的透明溶膠。加入陰離子表面活性性，使溶膠轉化成親油性的聚集體。然后加入有機溶劑，劇烈振蕩，使膠體粒子轉入有機相中，得到有機溶膠、再經回流、減壓蒸餾和熱處理即得納米TiO2粉體。

該工藝過程的關鍵在于膠溶溫度和膠溶劑濃度的控制。用這種方法制得的納米TiO2粉體分散性好、透明度高，但工藝流程長，成本高。6.2.4 水熱合成法

近年來，將近微波技術和電極埋弧等新技術引入水熱法，合成了一系列納米級陶瓷粉末使水熱法成為最有前景的納米二氧化鈦合成技術之一。

水熱法制備納米粉體是在內襯耐腐蝕材料（如聚四氟乙烯)的密閉高壓釜里，采用水溶液作為反應介質，通過對反應容器加熱，創造一個高溫、高壓反應環境，使前驅物在水熱介質中溶解，進而成核、生長、最終形成具有一定粒度和結晶形態的晶粒。

水熱法制備粉體常采用固體粉末或新配制的凝膠作為前驅體，第一步是制備鈦的氫氧化物凝膠，反應體系有四氯化鈦與氨水體系和鈦醇鹽與水體系。第二步將凝膠轉入高壓釜內，升溫，造成高溫、高壓環境，使難溶或不溶物質溶解并重結晶，生成納米TiO2粉體。

該法制備的TiO2粉體具有晶粒發育完整、原始粒徑小、分布均勻、顆粒團聚較少的特點。特別是用此法制備納米TiO2能避兔為了得到金紅石型二氧化鈦而經歷的高溫鍛燒，從而有效地控制了納米二氧化鈦微粒間團聚和晶粒長大。但水熱合成法畢竟是高溫、高壓下的反應，對材質和安全要求較嚴，操作復雜，能耗較大，因而成本偏高。6.2.5 微乳法

微乳法是近年來發展起來的一種制備納米微粒的有效方法。它是指熱力學穩定分散的互不相溶的液體組成的宏觀上均一而微觀上不均勻的液體混合物，一般由表面活性劑,助表面活性劑(通常為醇類)、油(通常為碳氫化合物)和水（或電解質溶液)組成。微乳液中，微小的水池被表面活性劑和助表面活性劑所組成的其反應機理為:當兩種微乳液混合后，由于膠團顆粒的碰撞，發生水核內物質的相互交換和傳遞，這種交換非常快。化學反應就在水核內進行，因而粒子的大小可以控制。一旦水核內粒子長到一定尺寸，表面活性劑分子將附在粒子表面，使粒子穩定并防止其進一步長大。反應完成后，通過超速離心，使納米微粉與微乳液分離，再以有機溶劑除去附著在表面的油和表面活性劑，最后干燥處理得到超細粉體。單分子層界面所包圍而形成微乳顆粒。其大小可控制在幾至幾十納米之間。

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該法的優點是可防止其他離子型表面活性劑對體系的污染，反應不需加熱、設備簡單、操作容易，可精確控制化學計量比，制得的微粒均勻穩定、大小可控。但是由于使用大量的表面活性劑，很難從獲得的最后粒子表面除去。目前這種方法正處在研究活躍時期，還需深入研究微乳液的結構和性質，尋求成本低、易回收的表面活性劑，建立適合工業化的生產體系。

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參考文獻

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致謝

斯篇終成，懸心墜地，然憶幾日苦思有余。恩師之情，溢于言表，且如和風細雨潤物無聲。細品當初良言，仍感良苦用心，其教誨仍不絕于耳。韓愈云“生乎吾前，其聞道也先乎吾，吾從而師之；生乎吾后，其聞道也亦先乎吾，吾從而師之。”吾感言“三步之內，必有吾師。”

成文始終，得益于好友慷慨相助，感激之情，不勝言表。

憶到湖工兩載有余，吾常感“湘水之濱，學子云集”，古人云“不積跬步，無以至千里；不積小流，無以成江海。騏驥一躍，不能十步；駑馬十駕，功在不舍，舍之，朽木不折；鍥而不舍，金石可鏤。”

吾自信天道酬勤，學必有所成。

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第二篇：二氧化鈦納米材料的制備

二氧化鈦納米材料的制備

陳維慶

（貴州大學礦物加工工程082班

學號：080801110323）

摘要：二氧化鈦俗稱鈦白，是鈦系列重要產品之一，也是一種重要的化工和環境材料。目前制備納米二氧化鈦的方法很多，本文綜述了納米二氧化鈦的多種制備方法和生產原理，在總結歸納基礎上對各種制備方法進行比較，概述相關的研究進展。

關鍵詞：二氧化鈦

納米粒子

生產原理

Titanium dioxide nanomaterials preparation

Chenweiqing

(Guizhou University mineral processing project 082 classes)Abstract: Titanium dioxide, commonly known as titanium dioxide, titanium series is one of the major product, is also an important chemical and environmental materials.Preparation of nanometer titanium dioxide at present a number of ways, this overview of the variety of preparation methods of nano-titanium dioxide and production principle, on the basis of summarizing and to compare various methods of preparation, review of related research progress.Keyword: Titanium dioxide Nanometer granule Production principle 1 前言

近20年來，納米材料以其特殊的性能和廣闊的發展前景引起各領域的廣泛關注。是極具挑戰性、富有活力的新科技，它對社會發展有著重要意義，對人類的進步有著深遠影響。納米材料可以理解為組成物質的顆粒達到納米數量級也就納米粒子。納米粒子是處于微觀粒子和宏觀粒子之間（1~100 nm）的介觀系統。目前，納米科技產品的研發已經拓展到力學、化學、電子學、機械學、材料科學以及建筑、紡織、輕工等領域。

納米材料及技術是科技領域最具活力、研究內涵十分豐富的科學分支。納米材料包含納米超微粒子（1~100 nm）以及由納米超微粒子所制成的材料。納米超微粒子以其顯著的表明效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等一系列新穎的物理和化學特性，在眾多領域特別是在光學材料、電磁材料、催化劑、傳感器、醫學及生物工程材料等眾多領域具有極其重要的應用價值和廣闊的發展前景。目前，為了提高涂料性能并賦予其特殊功能，將納米材料用來改性涂料劑或作為助劑添加到涂料材料當中，是涂料產品研發領域的一個熱點。改性涂料材料所使用的納米材料一般為納米半導體材料，如納米SiO2、TiO2、ZnO、Fe2O3、CaCO3等。

二氧化鈦納米材料（TiO2）是當前應用前景最為廣闊的一種納米材料，超微細二氧化鈦具有屏蔽紫外線功能和產生顏色效應的一種透明物質。2 液相法 2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是一種較為重要的制備納米材料的濕化學法，主要包括4個步驟：

第一步：溶膠。Ti(OR)4與水不互溶，但與醇、苯等有機溶劑無限混溶，所以先配制Ti(OR)4的醇溶液（多用無水乙醇）A，再配制水的乙醇溶液B，并向B中添加無機酸（HCl，HNO3等）或有機酸（HAc、H2C2O4或檸檬酸等）作水解抑制劑（負催化劑），也可加一定量NH3將A和B按一定方式混合、攪拌得透明溶液。

第二步：溶膠-凝膠轉變制濕凝膠。

第三步：使濕凝膠轉變為干凝膠。

工業出版社，2006，1：第四步：熱處理。將干凝膠磨細，在氧化性氣氛中在一定溫度下熱處理，便可得到<100 nm 的納米TiO2

溶膠-凝膠法制備TiO2納米材料可以很好地摻雜其它元素，粉末粒徑小，分布均勻，是非常有價值的制備方法。但由于要以鈦醇鹽作為原料，又要加入大量的有機試劑，因此成本高，同時由于凝膠的生成，有機試劑不易逸出，干燥、燒結過程易產生碳污染，另外，對于困擾已久的團聚問題，局部表面化學反應、機械化學反應及用表面活性劑或聚合物包覆等都不能從根本上解決。2.2 沉淀法

以廉價易得的TiCl4或Ti(SO4)2 等無機鹽為原料，向反應體系加入沉淀劑后，形成不溶性的Ti(OH)4，然后將生成的沉淀過濾，洗去原溶液中的陰離子，高溫煅燒即得到所要的納米二氧化鈦材料。1 直接沉淀法

在含有一種或多種離子的可溶性鹽溶液加入沉淀劑后于一定的條件下形成不溶性的氫氧化物；將沉淀洗滌、干燥，再經熱分解得到氧化物粉體，其反應過程為（以TiOSO4為例）：

TiOSO4 + 2NH3·H2O=TiO(OH)2 +(NH4)2SO4

TiO(OH)2 =TiO2(S)+ H2O

該法操作簡單，對設備、技術要求不太苛刻，產品成本較低，但沉淀洗滌困難。產品中易引入雜質。2 均勻沉淀法

該法是利用某一化學反應使溶液中的構晶離子由溶液中緩慢均勻地釋放出來。加入的沉淀劑不立刻與沉淀組分發生反應，而是通過化學反應使沉淀劑在整個溶液中緩慢生成。以尿素做沉淀劑為例，其反應原理如下：

CO(NH2)2 +3H2O = CO2+2NH3·H2O

TiOSO4 + 2NH3·H2O=TiO(OH)2 +(NH4)2SO4

TiO(OH)2 =TiO2(S)+ H2O 水熱沉淀法

在內襯耐腐蝕材料（如聚四氟乙烯）的密閉高壓釜中加入制備納米二氧化鈦的前驅物如TiCl4、Ti(SO4)2等，按一定的升溫速率加熱，升至一定溫度后，恒溫一段時間取出，冷

卻后經過濾、洗滌、干燥，可得TiO2納米材料粉體。水熱法制備TiO2納米材料粉體，第一步是制備鈦的氫氧化物凝膠，反應體系有T、氨水或鈦醇鹽、水等；第二步是將凝膠轉入高壓釜內，升溫（溫度一般低于250℃）造成高溫、高壓的環境，使難溶或不溶得物質溶解并且重結晶，生成TiO2納米材料粉體。此法能直接制得結晶良好且純度高的粉體，不需要作高溫灼燒處理，避免了粉體的硬團聚，而且通過改變工業條件，可實現對粉體粒徑、晶型等特性的控制。然而水熱法是高溫、高壓下反應，對設備要求高，操作復雜，能耗較大，因此成本也較高。2.3 TiCl4直接水解法

將TiCl4直接注入水中，先稀釋到一定濃度，在表面活性劑存在下，再通入NH3或NH3·H2O，則TiCl4發生水解沉淀析出TiO2·n H2O過濾、干燥、煅燒得TiO2亞微粉或超徽粉。反應式為: TiCl4 + 4 NH3 +（n+2）H2O = TiO2·n H2O+4NH4Cl 為了控制粒度和粒度分布及反團聚，也有的向TiCl4稀釋液中加醋酸、檸檬酸、草酸或H2O2，使石TiO2+形成絡合物，再加NH3中和水解，這樣可控制水解速度。

該方法的優點是:工藝簡單，反應條件溫和且反應時間短，產品粒度均勻，分散性好，粒尺寸人為可控.可以制得銳敏型、金紅石型及混合晶型，原料易得，生產成本較低，易于實現工業化。但是此方法需要經過反復洗滌來除去氯離子，所以存在工藝流程長、廢液多、產物損失較大的缺點，而且完全洗凈無機離子較困難。2.4 鈦醇鹽水解法

在有分散劑存在并強烈攪拌下，對鐵醇鹽進行控制性水解，沉析出TiO2·n H2O沉淀，過濾、干燥、熱處理，容易得到高純、微細、單分散的類球形TiO2亞微粉或超微粉。該方法合成的納米粉體顆粒均勻。純度高，形狀易控制，缺點是成本昂貴，作為原料的金屬有機物制備困難，合成周期長。2.5膠溶法

該法可制備各種組分的氧化物陶瓷粉體且制得的產品粒徑小，粉體分散性好，粒度可控，但易發生粒子間團聚現象，成本也較高。這種工藝制備凝膠的方法與溶膠-凝膠法相似，但是利用膠溶原理，縮短了制備流程，省去耗能多的高溫煅燒過程，從而避免了因燒結而引起的納米粒子之間的硬團聚。2.6 微乳液法

微乳液是指熱力學穩定分散的互不相溶的液體組成的宏觀上均一而微觀上不均勻的液體混合物，一般由表面活性劑、助表面活性劑（通常為醇類）、油（通常為碳氫化合物）和水(或電解質溶液)組成。由于微乳液的結構從根本上限制了顆粒的成長，因此使得超細微粒的制備變得容易。通過超速離心，使納米微粉與微乳液分離。再以有機溶劑除去附著在表面的油和表面活性劑，最后經干燥處理，即可得到納米微粉的固體顆粒。該法所得產物粒徑小且分布均勻。易于實現高純化。該法有兩個優點：（1）不需加熱、設備簡單、操作容易;(2)

可精確控制化學計量比，粒子可控。3 氣相法

3.1 低壓氣體蒸發法

此種制備方法是在低壓的氫氣、氮氣等情性氣體中加熱普通的TiO2，然后驟冷生成納米TiO2粉體。其加熱源有電限加熱法、等離子噴射法、高頻感應法、電子束法和激光法，可制備100 nm以下的TiO2粒子。3.2 活性氫-熔融金屬反應法

含有氫氣的等離子體與金屬鈦之間產生電弧，使金屬熔融，電窩的N2、Ar等氣體和H2溶入熔融金屬，然后釋放出來，在氣體中形成了金屬的超微粒子，用離心收集器過濾式收集器使微粒與氣體分離而獲得TiO2納米材料微粒。3.3 流動頁面上真空蒸發法

用電子束在真空下加熱蒸發TiO2，蒸發物落到旋轉的圓盤下表面油膜上，通過圓盤旋轉的離心力在下表面上形成流動的油膜，含有超微粒子的油被甩進了真空室的壁面，然后在真空下進行蒸餾獲得TiO2納米材料超微粒子。3.4鈦醇鹽氣相水解法

該工藝反應式如下:

nTi(OR)4+2nH2O(g)= nTiO2(s)+4nROH 日本的曹達公司等利用氮氣、氦氣或空氣做載氣，把鈦醇鹽和水蒸汽分別導入反分器的反應區，進行瞬間和快速水解反應，通過改變反應區內各種蒸汽的停留時間、摩爾比、流速、濃度以及反應溫度來調節納米TiO2粒徑和粒子形狀，這種工藝可獲得平均原始粒徑為10~150nm，比表面積為50~300m2·g-l的非晶形TiO2納米材料粒子。其工藝特點是操作溫度較低，能耗小，對材質要求不是很高。并且可以連續化生產。3.5 TiCl4高溫氣相水解法

該法是將TiCl4氣體導人高溫的氫氧火焰中進行氣相水解，其化學反應式為;

TiCl4(g)+2 H2(g)+ O2(g)= TiO2(g)+ 4HCl(g)該工藝制備的納米粉體產品純度高，粒徑小。表面活性大，分散性好，團聚程度較小。其工藝特點是過程較短，自動化程度高。但因其過程溫度較高.腐蝕嚴重、設備材質要求較嚴，對工藝參數控制要求準確，因此產品成本較高，一般廠家難以接受。3.6 鈦醇鹽氣相分解法 電阻爐熱裂解法

nTi(OC4H9)4(g)= nTiO2(s)+2nH2O(g)+ 4nC4H8(g)

反應溫度一般控制在500一800 ℃，所得TiO2粒徑<100 nm，此法容易獲得銳鈦型或混晶型TiO2。

2激光誘導熱解法

用聚焦脈沖CO2激光輻照TiCl4 + O2體系，在聚焦輻照的高溫條件下(焦點區最高溫度

達1000 ℃以上)，獲得了非晶態TiO2，其微觀結構是絮狀，內部疏松，是微小顆粒無序堆積的”疏松體”，其比表面積大，吸附能力強，反常的是在乙醇中易分散，在水中卻不易分散

3.7 TiCl4 氣相氧化法

利用氮氣攜帶帶TiCl4蒸汽，預熱到435℃后經套管噴嘴的內管進人高溫管式反應器.O2預熱到870℃后經套管噴嘴的外管也進入反應器，二者在900~1400℃下反應生成的TiO2微粒經粒子捕集系統，實現氣固分離。該工藝目前還處于試驗階段，其優點是自動化程度高，可制備優質粉體。

TiCl4（g）+O2(g)=TiO2(g)十2Cl2(g)

nTiO2(g)= nTiO2(s)3.8 蒸發-凝聚法制納米TiO2

將平均粒徑為3 μm的工業TiO2軸向注人功率為60 kW的高頻等離子爐的Ar-O2混合等離子矩中，在大約10000 K的高溫下，粗粒子TiO2汽化蒸發，進人冷凝膨屈長罐中降壓、急冷得10~50 nm 的TiO2納米材料。4 其他方法

4.1 超重力法制備納米TiO2

主要包括水合TiO2懸濁液的制備和TiO2晶體緞燒成型2個過程:(1)將一定量的TiCl4在冰水浴中緩慢溶解于去離子水中，防止溫度過高自發水解，再將溶液倒入帶刻度的容器中標定濃度，將配好的溶液倒人到儲槽內，啟動離心泵將其泵人旋轉填充床中，待流速穩定后擴通入氨氣開始反應，用調頻變運勝導導調節旋轉填充床轉子的轉速，當pH值達到設定值時停止通入氨氣，中止反應，并從出出口得到產物漿料，此料液便是水合TiO2懸浮液。(2)對懸浮液進行真空抽濾、濾餅洗滌、100℃干燥、鍛燒等后續工藝處理，得到納米TiO2粉體。4.2 超臨界相法（SC法）

溶液中合成超細TiO2分別是在3個實驗反應器中完成的，這些反應器填充了近臨界密度的異丙醇和0.4mol·L-1的醇鈦鹽溶液。乙醇和異丙醇的臨界溫度Tc分別為241℃和238.4℃，與醇鈦鹽氣相熱解的溫度Tc = 265℃相差不遠，特別適合作臨界相流體，臨界相流體有近似液體的密度和高溶劑能，但低的粘度和高擴散率幾乎與氣體接近，這些性質有利于分子碰撞且能夠增加反應動力，能產生高的成核率。此法溶液濃度很低.可以避免粒子間的進一步凝集，低壓下超臨界溶液作為氣體被除去，得到了于燥的粉末，不再需要液固的分離步驟。

將異丙醇-異丙醇鈦鹽溶液在280℃加熱2 h反應即可完全，這與醇鈦鹽氣相熱解溫度相近，由超臨界法所得固體為銳欽型結構。粒徑為30~60 nm，熱處理后不發生結塊。而用氣相熱分解法制TiO2，最初所得晶粒很好(<20 nm)，但最終強烈結塊。超臨界法同溶膠-凝膠法比較，免除了沉淀與干燥步驟，在緞燒過程之前，不需要進一步熱處理。SC法制的銳鈦型TiO2較溶膠一凝膠法制的銳欽型穩定，例如，SC，900℃加熱4 h，20%為金紅型TiO2;

溶膠一凝膠法.600℃加熱4 h.，20%為金紅型TiO2。4.3其它方法

惰性氣體原位加壓法（IGC）、噴涂-電感耦合等離子體法、高頻等離子化學相沉積法（RF-PCVD）等等。5 結束語

綜上所述，TiO2納米材料的制備方法很多，大約二十種左右，就目前而言，這些制備方法各有其優缺點。此外，根據TiO2納米材料的用途的不同。其制備方法也有差異。隨著現代高新科技的開發，TiO2納米材料的制備方法將會越來越多，而且在制備工藝上一集能耗上將會越來越優越。在研究制備工藝的同時，改進現有的合成工藝.尋求粉體質量好、操作簡便且易于工業化大規模生產、成本低廉的合成新工藝，應該是努力的目標。對納米粉末微觀結構的研究還有待于進一步深入，對TiO2納米材料徽粉特有的化學、物理機械性能，應從理論、徽觀結構人手，研究它們產生的機理。總之，隨著納米材料體系和各種超結構體系研究的開展和深人，TiO2超細粒子的制備技術將會得到日益改進。參考文獻

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第三篇：納米二氧化鈦光觸媒JR05治理霧霾

納米二氧化鈦光觸媒JR05治理霧霾

【摘要】霧霾已經嚴重威脅到人類生活和健康，治理霧霾成為當務之急。目前，國內外已經研究出納米二氧化鈦光觸媒JR05產品治理霧霾。納米二氧化鈦吸收光能激發電子生成帶正電的空穴，利用逸出電子的還原性和空穴的氧化性對PM2.5進行分解。【關鍵詞】霧霾 納米二氧化鈦 光觸媒

1.前言：

中新網12月23日電新加坡《聯合早報》23日文章稱，中國的空氣污染如果再不引起高度的警惕，真正下大決心、大力度去治理，其造成的損失和代價將是極其慘痛的。受不利氣象條件及春節燃放煙花爆竹的習慣影響，2014年，自1月30日（農歷除夕）開始，全國多地出現PM2.5數值達到空氣重度污染程度。山西太原被濃濃的霧霾籠罩，PM2.5數值已達到250屬于重度污染；2月1日農歷正月初二，四川眉山、樂山、德陽、綿陽等地遭遇大霧襲擊，導致成樂、成灌、成溫邛、京昆高速綿廣、成綿段等部分國、省道高速公路關閉，民眾春節走親訪友出行受影響。2月2日，上海，霧霾籠罩，城市一片朦朧，建筑若隱若現，如同海市蜃樓，市民凌晨在霧霾中出行，截至早7時，全市PM2.5平均濃度為243.1，靜安監測站最高為282.3，浦東川沙最低為165.8；2月2日清晨，農歷大年初三，安徽省六安市出現濃霧天氣。

霧和霾不是同一種氣象：霧是空氣中的水氣和灰塵顆粒結合，形成懸浮在地面水滴。而霾是微小的顆粒飄在空氣中，使空氣變得混濁的一種現象。組成霧霾小顆粒非常復雜，有好幾百種顆粒物。比如有礦物顆粒物、硝酸鹽、有機氣溶膠粒等，吸入之后這些粒子會進入呼吸道和肺葉中。霧霾的時候空氣不怎么流通，然后空氣中的病菌和細菌會比較多，傳染類疾病比較容易發生感染。霧霾天氣空氣中的污染物不容易擴散，一氧化碳等有害物質增多。同時還影響人體皮膚散熱，容易出現胸悶、疲勞、頭暈等癥狀……

中國霧霾現狀給我們敲響警鐘。治理霧霾不僅是針對傳統霧霾形成機理，還要根據中國霧霾特殊性，注重包括土壤、水源嚴重污染的治理修復，減少微生物飄逸和阻斷微生物營養供給路徑。通過全社會的共同努力，早日將霧霾形成的臨界點降下來，治理霧霾的難題就迎刃而解。

2.納米二氧化鈦光觸媒JR05治理霧霾

2.1反應原理：

光觸媒是指可通過吸收光而處于更高的能量狀態，并將能量傳遞給反應物而使其發生化學反應的一類物質。半導體和金屬化合物等是常用的光觸媒材料、其中最常見的是二氧化鈦。二氧化鈦廣泛用作染料、牙粉、化妝品和食品添加劑等，是一種安全無毒、價廉耐用的物質。當用光照射二氧化鈦表面時，像太陽能電池使用的硅片等一樣，產生負電荷的電子和正電荷的正孔。這些電子和正孔具有很強的還原和氧化能力，能與水或溶存的氧反應，產生氫氧根自由基和超氧負離子。這些正孔和氫氧根自由基具有很強的氧化能力，構成有機物分子的碳-碳鍵、碳-氫鍵、碳-氮鍵、碳-氧鍵、氧-氫鍵和氮-氫鍵等的鍵能分別為83 kcal/mol、99 kcal/mol、73kcal/mol、84 kcal/mol、111 kcal/mol、93 kcal/mol，而正孔和氫氧根自由基的氧化能大于120 kcal/mol以上，可以簡單地將上述鍵切斷分解。因此，可以將水中溶存的各種有害化學物質或空氣中的惡臭物質分解或無害化處理。此外，氫氧根自由基比作為消毒殺菌劑被廣泛使用的次氯酸、雙氧水和臭氧等具有更強的氧化能力，可用作殺菌劑和防霉劑。總之，二氧化鈦具有在光的照射下能分解和無害化處理幾乎所有有害有機物，不用有毒的藥品或煤、石油等化石燃料，僅利用干凈且取之不盡的太陽能就能將擴散了的環境污染物安全有效地處理并且可半永久化循環使用等眾多的優點。

2.2納米二氧化鈦結構研究：

研究過程中，以四氯化鈦和無水乙醇做為主要原料，采用溶膠——凝膠法的技術合成路線，成功研制出尺寸為10nm-60nm的二氧化鈦粒子。在實驗中，針對二氧化鈦粒子、粒徑、晶型、分散性所做的研究表明：結果表明，反應溫度低于30℃時，出現的是銳鈦礦，反應溫度高于30℃時，開始有金紅石相產生。隨著煅燒溫度的提高，粒子的尺寸不斷增大。高于600℃時，增長趨勢增大，500——700℃是相變溫度區。此外，紅外方式下干燥，形成二氧化鈦粒徑較小，且有金紅石出現，并在較低煅燒溫度即可獲得金紅石相。分析認為，紅外條件下，提供了相變所需的相變焓。

2.3類似材料：鈣基粘合劑Calcium based binders 上世紀80年代，政府決定嘗試在街道使用一種鈣基黏合劑治理空氣污染。這種黏合劑類似膠水，可吸附空氣中的塵埃。街道清掃工已將這種新產品用于人口嘈雜、污染嚴重的城區，目前監測結果稱這些區域的微粒已經下降了14%。（2013年2013-10-25 14:40:09 來源: 北方新報(呼和浩特）

這種鈣基粘合劑類似膠水，可吸附空氣中的塵埃物質。街道清掃工作者已將這種新產品用于人口嘈雜污染嚴重的城區，目前監測結果稱這些區域的微粒已經下降了14%。此外，倫敦還將采取了多項其他措施，包括推出環保巴士，建立更嚴格的排放標準以及大量植樹造林等。

3．目前使用情況：

國內：

記者從光觸媒系列產品應用研討會獲悉：上海已在復興東路、河南路部分路面鋪設了一種新型環保材料―――光催化劑，試驗表明，該路面能吸收45%的廢氣污染。車流不息的街頭，常常彌漫著刺鼻氣味，其中大部分是汽車尾氣。針對污染元兇，意大利環球工程技術公司和世紀化學公司合作開發了環保材料―――光催化劑。這種環保材料的主要化學成分是二氧化鈦，在陽光或人造光下，會“變身”催化劑，將空氣中及汽車排放的二氧化氮分解為硝酸鹽，隨即被路面上的其他物質吸收。該材料曾鋪設在意大利米蘭市一條道路上，經過數月分析計算，廢氣污染數降低了60%至70%。

目前深圳南山區在PM2.5監控點使用納米光催化材料JR05處理了四五十萬平方米建筑外墻、道路，治理汽車尾氣、PM2.5、霧霾天氣；晶瑞公司和東北林大交通學院承擔過交通部兩個項目，也是使用高活性、高分散納米二氧化鈦JR05光催化材料處理水泥道路和柏油道路，利用免費的太陽光做能量，高活性、高分散納米二氧化鈦光催化材料做催化劑，光催化分解汽車尾氣，產生的是無害的物質，效果很好，氮氧化物降解效率是 60%；項目已經驗收結題。

國外：

JR05在美國、德國、日本、意大利、英國、荷蘭等多個國家受到好評，在進一步擴大使用。JR05 處理成本在大范圍使用情況下，可以大幅度下降；控制在較低的可以承受的范圍。這種新材料光催化治理空氣污染可以長期有效。

在日本過去20年中，主要由于汽車尾氣中的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)所造成的大氣污染問題一直沒有得到改善，已引起數起公害訴訟而成為嚴重的問題。如果應用二氧化鈦光觸媒，則能使大氣污染源的一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）等氮氧化物（NOx）或硫氧化物（SOx）氧化成硝酸根離子（NO3-）或硫酸根離子（SO42-）。將光觸媒涂刷于建筑物的外墻時，就可利用太陽光將氮氧化物或硫氧化物分別氧化成硝酸根離子或硫酸根離子，下雨時可將硝酸根離子或硫酸根離子沖刷下來，就這樣可持續不斷地進行光觸媒反應，從而除去大氣中的氮氧化物或硫氧化物。現已研究表明沖刷硝酸根離子或硫酸根離子雨水的酸性可以被空氣中浮游的堿性粉塵所中和。目前，含光觸媒的大氣凈化產品，比如道路建設中的大氣凈化部件、涂料、片材、水泥以及道路路面等已被開發推廣。附著有光觸媒的吸音板材和高速道路的防音壁等商品也在開發之中。

4.結論 長期從事組合材料學和材料基因組方法這一前沿技術研究的高琛團隊，在光催化材料研究方面，歷經初期的材料篩選、中期的材料優化、后期的同步輻射機理研究，合成了幾百種材料方案，并獲得多項國家專利。在此基礎上研發的光催化材料，從綠光到紫外光都能夠充分吸收利用，分解污染物質的效率更高。

專家評價，光觸媒空氣凈化器具有在同樣的紫外光源照條件下，濾除PM2.5及甲醛、甲苯的效果更好，選用材料的性價比很高，工程化應用前景廣闊。

5．文獻及資料參考來源：

壓縮包中的文件：

《光觸媒技術的最新動態和國際標準化》 《二氧化鈦毒理學》

《光觸媒納米二氧化鈦應用研究》 網站資源：

納米二氧化鈦的制備、結構和性能的研究 http://

第四篇：畢業論文-溶膠凝膠法制備納米二氧化鈦

摘要

二氧化鈦（Tio2），多用于光觸媒、化妝品，能靠紫外線消毒及殺菌，現正廣泛開發，將來有機會成為新工業。TiO2可制作成光催化劑，凈化空氣，消除車輛排放物中25%到45%的氮氧化物，可用于治理PM2.5懸浮顆粒物過高的空氣污染。

自20世紀80年代以來，納米TiO2由于強的吸收和散射紫外線性能，作為優良的紫外線屏蔽劑，用于防曬護膚品、纖維、涂料等領域。本文分別采用沉淀法和溶膠凝膠法制備二氧化鈦納米顆粒，并對其形貌進行檢測和分析。關鍵詞：二氧化鈦 沉淀法 溶膠凝膠法 納米 形貌 Abstract titanium dioxide（TiO2）,usually used for photocatalyst、cosmetic，can disinfection and sterilization by ultraviolet light,now it developed widely,maybe become a new industry in the future.Tio2 can be made into photocatalyst,make the air clean,eliminate 25% to 45% oxynitride from vehicle emissions.Can be used for the treatment of PM2.5 particles of highair pollution.Since the 1980s,nanoTiO2 because it strong performance of Absorption and scattering of radiation,as a good ultraviolet screening agent, Used to prevent bask in skin care products, fiber, coating, etc.Precipitation method and sol gel method are used to synthesis fabricate TiO2 nano materials in the article, and test and analyze the morphology of production.Key words:TiO2

Precipitation method sol gel method nanometer morphology

第一章 緒論 1.1 引言

納米 TiO2在結構、光電和化學性質等方而有許多優異性能，能夠把光能轉化為電能和化學能，使在通常情況下難于實現或不能實現的反應(水的分解)能夠在溫和的條件下(不需要高溫高壓)順利的進行。納米 TiO2具有獨特的光催化性、優異的顏色效應以及紫外線屏蔽等功能，在能源、環保、建材、醫療衛生等領域 有重要應用 前景，是 一種重要的功能材料。1.2 二氧化鈦的結構

TiO2在自然界中主要存在三種晶體結構：銳鈦礦型（圖1a）、金紅石型（圖1b）和板鈦礦型，而金紅石型和銳鈦礦型都具有催化活性。銳鈦礦型TiO2為四方晶系，其中每個八面體與周圍8個八面體相連接（4個共邊，4個共頂角），4個TiO2分子組成一個晶胞。金紅石型TiO2也為四方晶系，晶格中心為Ti原子，八面體棱角上為6個氧原子，每個八面體與周圍10個八面體相聯（其中有兩個共邊，八個共頂角），兩個TiO2分子組成一個晶胞，其八面體畸變程度較銳鈦礦要小，對稱性不如銳鈦礦相，其Ti–Ti鍵長較銳鈦礦小，而Ti-O鍵長較銳鈦礦型大。板鈦礦型TiO2為斜方晶系，6個TiO2分子組成一個晶胞。

1.3二氧化鈦的應用

1.3.1基于半導體性質和電學特性的應用領域

TiO2是一種多功能性的化工材料，基于其電磁和半導體性能，在電子工業中有

廣泛應用，基于其介電性制造高檔溫度補償陶瓷電容器、以及熱敏、溫敏、光敏、壓敏、氣敏、濕敏等敏感元件。

TiO2氣敏元件可用來檢測多種氣體，包括H2、Co等可燃性氣體和O2。TiO2氣敏元件可用作汽車尾氣傳感器，通過測定汽車尾氣中O2含量，可以控制和減少汽車尾氣中的CO和NOx的污染，同時提高汽車發動機效率。1.3.2基于紫外屏蔽特性和可見光透明性的應用領域 1.3.2.1防日曬化妝品

納米TiO2，無毒、無味，對皮膚無刺激，無致癌危險性，使用安全可靠；對UVA和UVB都有很好的屏蔽作用，且可透過可見光；穩定性好，吸收紫外線后不分解、不變色。因此被廣泛用于防曬霜、粉底霜、口紅、防曬摩絲等。1.3.2.2食品包裝材料

紫外線易使食品氧化變質，破壞食品中的維生素，降低營養價值。用含0.1~0.5%納米TiO2的透明塑料薄膜包裝食品，既具透明性，又防紫外線。不僅能從外面看清食品，而且能使食品長時間保存不變質。1.3.2.3透明外用耐久性涂料和特種涂料

當納米TiO2用于涂料并達到納米級的分散時，可作為優良的罩光漆，由于其可見光透明性和紫外光屏蔽特性，因而可大大增加其保光、保色及抗老化（耐候性）性能。這種涂料可用于汽車、建筑、木器、家具、文物保護等領域。利用其吸收遠紅外和抗遠紅外探測的性能，制造特種涂料用于隱形飛機、隱形軍艦等國防工業中。

1.3.3基于光催化性質的應用領域 1.3.3.1光催化合成

利用納米TiO2優良的光催化活性，在化學工業中可光催化合成NH3，苯乙烯的環氧化等。這方面的工作還處于研究階段，尚未工業應用。1.3.3.2在能源領域的應用

利用納米TiO2的光催化活性，可做成太陽能電池（光電池）將太陽能轉變為電能。還可以光催化分解水制氫（氫是一種最清潔、無污染，又便于利用的新能源），將太陽能轉變成化學能。目前的問題是光利用率和產率太低，需繼續研究解決。

1.3.3.3在環保領域的應用

這是最有希望、最有前途的一個領域。納米TiO2作為光催化劑，在環保領域中的應用是當前研究的一個重點和熱門課題。利用它治理污染，具有能耗低，操作簡便，反應條件溫和，無二次污染等優點。納米TiO2用于廢氣處理，可使工業廢氣脫硝、脫硫和使CO轉化為無害的N2、CO2、H2O等，可制造環保用廢氣轉換器。

1.3.4基于顏色效應的應用領域

將納米TiO2與閃光鋁粉和云母鈦珠光顏料拼配使用制成的涂料具有隨角異色效應，作為金屬閃光面漆涂裝在小汽車上，將產生富麗雅致的效果。這是納米TiO2最重要，最有前途的應用領域之一。1.3.5基于表面超雙親性和表面超疏水性的應用

利用玻璃基體上的納米TiO2涂膜在紫外光照射下具有表面水油超親合性，可使表面附著的水滴迅速擴散展開成均勻的水膜，從而防霧、防露，維持高度的透明性，不會影響視線，制成建筑物窗玻璃、車輛擋風玻璃、后視鏡、浴室鏡子、眼鏡鏡片，測量儀器的玻璃罩等，能保證車輛交通安全和各種用途玻璃的能見度。

又在氟樹脂中加入納米TiO2后，其表面與水的接觸角可達160度，顯示出超疏水特性，就如同荷葉上的水珠一樣，可使之具有防雪、防水滴、防污等特性，從而在某些領域中具有特殊用途。1.4合成制備納米二氧化鈦的方法

近年來，伴隨著全球環境污染日益嚴重，納米半導體光催化劑材料一直是材料學和光催化學研究的熱點。目前，比較簡單的半導體光催化劑有TiO2、SnO2、Fe2O3、MoO3、WO3、PbS、ZnS、ZnO 和CdS 等，納米TiO2因其具有性質穩定、抗光腐蝕性強、耐酸堿腐蝕性強、原料豐富等優點。

目前，制備納米TiO2粉體的方法有很多，按照所需粉體的形狀、結構、尺寸、晶型、用途選用不同的制備方法。根據粉體制備原理的不同，這些方法可分為物理法、化學法和綜合法。無論采用何種方法，制備的納米粉體都應滿足以下條件： 表面光潔；粒子的形狀及粒徑、粒度分布可控；粒子不易團聚；易于收集；熱穩 定性好；產率高。

1.4.1物理法

物理法是最早采用的納米材料制備方法，其方法是采用高能消耗的方式，“強制”材料“細化”得到納米材料。物理法的優點是產品純度高。1.4.1.1氣相蒸發沉積法

此法制備納米TiO2粉體的過程為: 將金屬Ti 置于鎢舟中，在(2 ～ 10)× 102 Pa 的He 氣氛下加熱蒸發，從過飽和蒸汽中凝固的細小顆粒被收集到液氮冷卻套管上，然后向反應室注入5 ×103 Pa 的純氧，使顆粒迅速、完全氧化成TiO2 粉體。利用該方法制備的TiO2納米粉體是雙峰分布，粉體顆粒大小為14 nm。1.4.1.2蒸發－凝聚法

此法是將將平均粒徑為3μm的工業TiO2軸向注入功率為60 kW的高頻等離子爐Ar－O2混合等離子矩中，在大約10 000 K的高溫下，粗粒子TiO2汽化蒸發，進入冷凝膨脹罐中降壓，急冷得到10～50 nm的納米TiO2。1.4.2化學法

化學法可以根據反應物的物態，將其劃分為液相化學反應法、氣相化學反應法和固相反應法。此類方法制造的納米粉體產量大，粒子直徑可控，也可得到納米管和納米晶須，同時，該法能方便地對粒子表面進行碳、硅和有機物包覆或修飾處理，使粒子尺寸細小且均勻，性能更加穩定。1.4.2.1液相化學反應法

該方法是生產各種氧化物微粒的主要方法，是指在均相溶液中，通過各種方式溶質和溶劑分離，溶質形成形狀、大小一定的顆粒，得到所需粉末的前驅體，加熱分解后得到納米顆粒的方法。液相化學法制備納米TiO2又分為溶膠－凝膠法、水解法、沉淀法、微乳液法等。

溶膠－凝膠法(Sol － gel 法)是以鈦醇鹽為原料，在無水乙醇溶劑中與水發生反應，經過水解與縮聚過程而逐漸凝膠化，再經干燥、燒結處理即可得到納米TiO2粒子。此法制得的產品純度高、顆粒細、尺寸均勻、干燥后顆粒自身的燒結溫度低，但凝膠顆粒之間燒結性差，產物干燥時收縮大。

水解法是以TiCl4(化學純)作為前驅體，在冰水浴下強力攪拌，將一定量的TiCl4滴入蒸餾水中，將溶有硫酸銨和濃鹽酸的水溶液滴加到所得的TiCl4水溶 5

液中攪拌，混合過程中溫度控制在15 ℃，此時，TiCl4的濃度為1．1 mol /L，Ti4 + /H+ = 15，Ti4 + /SO2 －4 = 1 /2。將混合物升溫至95 ℃并保溫1 h 后，加入濃氨水，pH 值為6 左右，冷卻至室溫，陳化12 h 過濾，用蒸餾水洗去Cl-后，用酒精洗滌3次，過濾，室溫條件下將沉淀真空干燥，或將真空干燥后的粉體于不同溫度下煅燒，得到不同形貌的TiO2粉體。利用該方法制備的TiO2粉體，粒徑僅為7 nm，且晶粒大小均勻。在制備過程中探討了煅燒溫度對粉體的影響，水解反應機理、水解溫度對結晶態的影響，硫酸根離子對粉體性能的影響等問題。

沉淀法是向金屬鹽溶液中加入某種沉淀劑，通過化學反應使沉淀劑在整個溶液中緩慢地析出，從而使金屬離子共沉淀下來，再經過過濾、洗滌、干燥、焙燒而得到粒度小分布窄、團聚少的納米材料。趙旭等采用均相沉淀法，以尿素為沉淀劑，控制反應液鈦離子濃度、稀硫酸及表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉的用量，制備的粒子為20 ～ 30 μm 球型TiO2粒子，該粒子晶體粒徑在納米范圍內5 ～ 208 nm。

微乳液法是近年來發展起來的一種制備納米微粒的有效方法。微乳液是利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成一個均勻的乳液，從乳液中析出固相制備納米材料的方法。乳液法可使成核、生長、聚結、團聚等過程局限在一個微小的球形液滴內形成一個球形顆粒，避免了顆粒之間進一步團聚。1.4.2.2 氣相化學反應法

氣相熱解法。該方法是在真空或惰性氣氛下用各種高溫源將反應區加熱到所需溫度，然后導入氣體反應物或將反應物溶液以噴霧法導入，溶液在高溫條件下揮發后發生熱分解反應，生成氧化物。1992 年日本Tohokuoniuemi － tu 采用高頻感應噴霧熱解法以鈦氯化物(如TiCl4)為原料制備得到四方晶系納米TiO2 粉末。

氣相水解法。日本曹達公司和出光產公司制備納米氧化鈦采用的技術方法主要是以氮氣、氦氣或空氣等作載體的條件下，把鈦醇鹽蒸汽和水蒸氣分別導入反應器的反應區，在有效反應區內進行瞬間混合，同時快速完成水解反應，以反應溫度來調節并控制納米TiO2的粒徑和粒子形狀。此制備工藝可獲得平均 6

粒徑為10 ～ 150 nm，比表面積為50 ～ 300 m2 /g 的非晶型納米TiO2。該工藝的特點是操作溫度較低，能耗小，對材質純度要求不是很高，并在工業化生產方面容易實現續化生產。其主要化學反應為：

nTi(OR)4(g)+ 4nH2O(g)→nTi(OH)4(S)+ 4nROH(g)

nTi(OH)4(S)→nTiO2·H2O(s)+ nH2O(g)

nTiO2·H2O(s)→nTiO2(s)+ nH2O(g)1.4.3綜合法 1.4.3.1 激光CVD 法

該方法集合了物理法和化學法的優點，在80 年代由美國的Haggery 提出，目前，J David Casey 用激光CVD 法已合成出了具有顆粒粒徑小、不團聚、粒1.4.3.2 等離子CVD 法

該方法是利用等離子體產生的超高溫激發氣體發生反應，同時利用等離子體高溫區與周圍環境巨大的溫度梯度，通過急冷作用得到納米顆粒。該方法有兩個特點:

(1)產生等離子時沒有引入雜質，因此生成的納米粒子純度較高;(2)等離子體所處空間大，氣體流速慢，致使反應物在等離子空間停留時間長，物質可以充分加熱和反應。1.5本課題研究的目的和意義

如上所述，納米二氧化鈦以其特殊的性能和廣闊的發展前景引起科學家們的廣泛關注。以其獨特的表面效應、小尺寸效 應、量子尺寸效應和宏觀量子效應等性質,而呈現出許多奇異的物理、化學性質,使其在眾多領域具有特別重要的應用價值和廣闊的發展前景。納米二氧化鈦是20世紀80年代末發展起來的一種新型無機化工材料，它具有比表面積大、磁性強、光吸收性好、表面活性大、熱導性好、分散性好等性能，納米TiO2是當前應用前景最為廣泛的一種納米材料, 具有很強的吸收紫外線能力, 奇特的顏色效應, 較好的熱穩定性, 化學穩定性和優良的光學、電學及力學等方面的特性。其中銳鈦礦型具有較高的催化效率, 金紅石型結構穩定且具有較強的覆蓋力、著色力和紫外線吸收能力。因而倍受國內外研究學者的關注。

納米TiO2具有許多優異的性能，不僅具有優異的顏料特性——高遮蓋率、高消 7

色力、高光澤度、高白度和強的耐候性外，還具有特殊的力學、光、電、磁功能；更具有高透明性、紫外線吸收能力以及光催化活性、隨角異色效應。特別是隨著環境污染的日益嚴重，納米TiO2高效的光催化降解污染物的能力而成為當前最為活躍的研究熱點之一。而其獨特的顏色效應、光催化作用及紫外線屏蔽等功能，在汽車工業、防曬化妝品、廢水處理、殺菌、環保等方面一經面世就備受青睞。

今年來隨著各種技術的發展，納米TiO2已應用在多種領域中，但由于其在環境治理中有其獨特的優點，所以其在環保領域會更有大發展。

眾所周知，二氧化鈦的組成結構、尺寸大小和形貌特征等因素對其性質影響較大，實現二氧化鈦的應用不僅需要充分發揮其本征性質，還可以通過尺寸和形貌控制對其性質進行調控。本文主要是研究使用不同制備方法，在不同條件下制備不同形貌的納米二氧化鈦。第二章 原材料及表征 2.1試劑及儀器 2.1.1主要試劑

本實驗中，所使用的主要試劑如表2.1所示

所有試劑均未經進一步的處理，實驗所用水為蒸餾。2.1.2主要實驗儀器

表2.2所示是本實驗中所用主要儀器設備及測試所用的大型儀器。2.2樣品的表征

掃描電子顯微鏡的基本結構如圖2.1所示，掃描電子顯微鏡以熾熱燈絲所發射的電子為光源，燈絲發射的電子束在通過柵極之后，聚焦成電子束。在加速電壓作用下，通過三個電磁透鏡組成的電子光學系統，之后匯聚成直徑約幾十個埃的電子束照射到被觀測樣品表面。電子束與樣品作用，產生不同的電子其其他射線，如二次電子、背散射電子、透射電子、吸收電子及X射線等。這些信號在經收集器吸收后，傳輸到放大器，經放大器放大，送至顯像管，顯示出樣品的形貌。在掃描電子顯微鏡表征樣品表面形貌時，用來成像的信號主要是二次電子，所謂二次電子，就是指電子束光源與樣品作用，樣品中的價電子受激發而脫離出來的電子。本實驗中，采用中國科儀公司的KYKY-2800B型的掃描 8

電子顯微鏡對對樣品的表面形貌進行表征，掃描電子顯微鏡的加速電壓為20KV。

第三章 沉淀法制備納米二氧化鈦 3.1制備過程

第五篇：淺談納米材料的應用(論文)1

納米材料的應用

張健華

計算機網絡技術專業101班

摘要：納米技術是當今世界最有前途的決定性技術。納米技術目前已成功用于許多領域，包括醫學、藥學、化學及生物檢測、制造業、光學以及國防等等。有人曾經預測在21世紀納米技術將成為超過網絡技術和基因技術的“決定性技術”，由此納米材料將成為最有前途的材料。世界各國相繼投入巨資進行研究，美國從2000年啟動了國家納米計劃，國際納米結構材料會議自1992年以來每兩年召開一次，與納米技術有關的國際期刊也很多。關鍵詞：納米材料

納米技術

特殊材料

應用

一、納米發展小史

1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德●費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后實現根據人類意愿逐個排列原子、制造產品，這是關于納米科技最早的夢想。1991年，美國科學家成功地合成了碳納米管，并發現其質量僅為同體積鋼的1/6，強度卻是鋼的10倍，因此稱之為超級纖維.這一納米材料的發現標志人類對材料性能的發掘達到了新的高度。1999年，納米產品的年營業額達到500億美元。

二、何為納米材料

納米（nm）是長度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對宏觀物質來說，納米是一個很小的單位，例如：人的頭發絲的直徑一般為7000-8000nm，人體紅細胞的直徑一般為3000-5000nm，一般病毒的直徑也在幾十至幾百納米大小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級；對于微觀物質如原子、分子等以前用埃來表示，1埃相當于1個氫原子的直徑，1納米是10埃。

一般認為納米材料應該包括兩個基本條件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之間，二是材料此時具有區別常規尺寸材料的一些特殊物理化學特性。

三、納米材料的特殊性質

納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴散途徑，導致了高擴散率，它對蠕變，超塑性有顯著影響，并使有限固溶體的固溶性增強、燒結溫度降低、化學活性增大、耐腐蝕性增強。因此納米材料所表現的力、熱、聲、光、電等性質，往往不同于該物質在粗晶狀態時表現出的性質。與傳統晶體材料相比，納米材料具有高強度——硬度、高擴散性、高塑性——韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數、低熱導率、強軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學性能環境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特殊導體、分子篩、超微復合材料、熱交換材料、敏感元件、催化劑等領域。

四、納米技術在各領域的應用

4.1 納米技術在陶瓷領域方面的應用

陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業生產中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國材料學家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制作納米陶瓷，這就需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散，塊體形態、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優良的低溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。

4.2 納米技術在微電子學上的應用

納米電子學是納米技術的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。

目前，利用納米電子學已經研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調諧的納米發光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經問世。并且，具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學的發展起到了關鍵的作用。

納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的理念來構造電子系統，并開發物質潛在的儲存和處理信息的能力，實現信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學將成為對世紀信息時代的核心。

4.3 納米技術在生物工程上的應用

眾所周知，分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。美國南加州大學的Adelman博士等應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題-“哈密頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術有了進一步的認識。

未來，納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發生質的飛躍。它將突破傳統極限，使單位體積物質的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現電子學上的又一次革命。

4.4 納米技術在光電領域的應用

納米技術的發展，使微電子和光電子的結合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現有雷達信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛星上進行高精度的對地偵察。但是要獲取高分辨率圖像，就必需先進的數字信息處理技術。科學家們發現，將光調制器和光探測器結合在一起的量子阱自電光效應器件，將為實現光學高速數學運算提供可能。在經過多個科學家研究的發現，無能量閾納米激光器的運行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發射激光，這類裝置可以實現瞬時開關。已經有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關，適合用于光纖通信。由于納米技術的迅速發展，這種無能量閾納米激光器的實現將指日可待。4.5 納米技術在化工領域的應用

納米粒子作為光催化劑，有著許多優點。首先是粒徑小，比表面積大,光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結合。因此，電子、空穴能夠到達表面的數量多，則化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態密度的影響。目前，工業上利用納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理（含SO32-或 Cr2O72-體系），已經取得了很好的效果。

用沉淀溶出法制備出的粒徑約30~60nm的白色球狀鈦酸鋅粉體，比表面積大，化學活性高，用它作吸附脫硫劑，較固相燒結法制備的鈦酸鋅粉體效果明顯提高。

4.6 納米技術在醫學上的應用

隨著納米技術的發展，在醫學上該技術也開始嶄露頭角。研究人員發現，生物體內的RNA蛋白質復合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，作為監測和診斷疾病的手段。科研人員已經成功利用納米 SiO2微粒進行了細胞分離，用金的納米粒子進行定位病變治療，以減少副作用等。另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導物已經取得了突破性進展，現在已用于臨床動物實驗，估計不久的將來即可服務于人類。

研究納米技術在生命醫學上的應用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系，獲取生命信息。科學家們設想利用納米技術制造出分子機器人，在血液中循環，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫學研究發生一次革命。

4.7 納米技術在其它方面的應用

利用先進的納米技術，在不久的將來，可制成含有納米電腦的可人-機對話并具有自我復制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內完成數十億個操作動作。在軍事方面，利用昆蟲作平臺，把分子機器人植入昆蟲的神經系統中控制昆蟲飛向敵方收集情報，使目標喪失功能。

利用納米技術還可制成各種分子傳感器和探測器。利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關節等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變為現實。另外，還可利用碳納米管來制作儲氫材料，用作燃料汽車的燃料“儲備箱”。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強紅外吸收能力的納米復合體系來制備紅外隱身材料，都是很具有應用前景的技術開發領域。

納米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規模生產階段，但從歷史的角度看：上世紀70年代重視微米科技的國家如今都已成為發達國家。當今重視發展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現經濟騰飛奠定堅實的基礎。整個人類社會將因納米技術的發展和商業化而產生根本性的變革。

【參考文獻】

[1]邵剛勤，魏明坤，等.超細晶粒WC硬質合金研制動態[J].武漢理工業大學學報

（含30頁ppt）