二氧化钛的形貌及其应用

郭宇萱，李 坤，张伊晗，王 璐

（河北农业大学 渤海校区，河北 沧州 061100）

TiO2因其毒性低、价廉、耐强酸强碱、耐紫外线腐蚀、耐强氧化剂腐蚀而普遍应用于环境治理，成了最有前途的材料，得到了科研人员的重视。1991年，日本学家Iijima[1]发现了碳纳米管，开启了TiO2一维形貌研究的大门。随着研究的深入，众多科技领域开始了对TiO2形貌结构的研究，TiO2材料因其结构不同而具有不同的性能及应用，本研究综述了不同制备方法对其形貌特征的影响。

1 TiO2的合成及形貌结构

TiO2是最早作为光催化剂的材料之一，相比较其他光催化剂，它的发展更为完善，目前合成出的比较成熟的形貌有球形、微球形、中空球形、纳米纤维、纳米管状、片状、棒状、花形等。Pal等[2]在氮气氛围和室温下，将四丁氧基钛和乙二醇配置的溶液磁力搅拌水解8 h，然后再加入丙酮进行剧烈搅拌，就制备出了球形TiO2。吕玉珍等[3]以草酸钛钾和过氧化氢为原料制备了TiO2粉末，采用水热法在150 ℃下加热0.5 h，TiO2粉末初步变成图1中的带状花结构，再在此温度下延长加热5 h，形成图1中所示的棒状花结构。

常用的TiO2合成方法包括：反应热炉热裂解法[4]；水热法，Wang[5]采用水热法一步合成了2-D TiO2，他们发现二维TiO2的禁带宽度比TiO2减小很多，Eg大约为1.8 eV，在较大程度上提高了光催化剂的催化活性；溶剂热法[6-7]，而溶剂热法又分为有无模板，王红侠等[6]采用无模板溶剂热法合成了TiO2中空微球（以钛酸丁酯为钛源），发现它具有良好的光催化活性。除了这些方法，还有很多其他的制备方法。Li[8]考虑到了TiO2回收的问题，制备合成了多孔TiO2陶瓷颗粒。在人们发现氧空穴对提高TiO2的光催化性能有一定贡献后，An等[9]将TiO2纳米管与p25纳米粒子进行偶联，合成了分级纳米结构的TiO2，具有较大的比表面积，较多的氧空穴和良好的光活性。

2 TiO2的其他应用

2.1 电池领域应用

随着社会科技、经济的发展，不可再生能源的逐渐减少，能源问题也越来越突出，人们开始探究新能源—太阳能。太阳能因其储存量大、绿色无污染成为最有前途的能源之一。1991年，Grätzel教授[10]制备出了光电转化效率为7.1%的太阳能电池后，染料敏化太阳能电池便开始备受关注，因为它的成本低廉、易制作等优点，大多数人们开始研究这样一种新型太阳能电池。

图1 在150 ℃下加热的SEM照片

2.2 抗菌

Liu等[11]发现多面体TiO2纳米晶上构建的{101}-{001}表面异质结有利于光生电子与空穴的分离，所形成的自由电子和空穴可以促进活性氧（ROS）的产生，这可能用于消灭活细菌。研究发现，这些多面体TiO2纳米晶体比球形TiO2纳米晶体更容易产生活性氧，对在模拟日光照射下的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较高的抗菌活性。

2.3 污水处理

Liz[12]利用TiO2光降解污水中的雌激素雌酮（E1），17β-雌二醇（E2）和17α-炔雌醇（EE2）。在UVA（介于320～420 nm的紫外光）辐射辅助下，所有雌激素均为98%的水溶液中，暴露60 min后，发现固定化TiO2显示出更好的去除雌激素（82%的E2和85%的EE2）的效果，此方法可用于降解废水中的分析物样本。

2.4 气体传感器

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，能将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息。Zhang等[13]成功合成了一种新型中空双层纳米结构的SnO2-TiO2。由于SnO2-TiO2的特殊的多层结构和丰富的异质界面，它的传感层对乙醇气体响应敏感，响应时间不足1.7 s。这使其在环境监测和检验酒驾方面显示出巨大的潜能。

3 结语

利用反应热炉热裂解法、水热合成法、模板法、溶剂热法等各种方法可以制备TiO2的不同结构，也正是因为不同的形貌特征而呈现出特定的性质，这就决定了不同结构应用领域的不同。除此之外，还有些问题需要完善：（1）多数对形貌有影响的物理化学方法只停留在理论层面，缺乏对合成研究的更深层次理解，还需从动力学、热力学等角度继续探究，从而发现新的形貌结构。（2）关于部分TiO2材料的应用多数仅停留在实验室阶段，随着实验研究的进一步深入，其应用领域还将扩大。