【原创】纳米二氧化钛：能抗菌防晒，还有啥？

中国粉体网讯  自然环境中存在大量的细菌、真菌等微生物，这些微生物可能会直接或间接地导致人类产生多种疾病，对我们的身体健康造成了极大的隐患和威胁。传统的灭菌方法比如紫外线灭菌法、高温灭菌法等虽然可以杀灭一部分的细菌，但是存在成本高、会产生二次污染、人体有害、能耗大等问题。在众多无机掺杂剂中，纳米TiO₂具有良好的抗紫外性能、光催化性能、生物相容性、化学稳定性、无毒以及抗菌性等优点近几十年受到相关研究人员的青睐。

化妆品级二氧化钛（图片来源：河南龙兴钛业科技股份有限公司）

纳米二氧化钛

TiO₂是一种具有多种晶型的半导体金属氧化物，在自然界中主要存在三种晶型，分别是锐钛矿（四方晶系），金红石（四方晶系）和板钛矿（斜方晶系），三种晶型组成结构均为[TiO₆]八面体，不同之处在于[TiO₆]八面体连接方式。板钛矿和金红石型由[TiO₆]八面体共顶点和共边组成，锐钛矿型由[TiO₆]八面体共边组成。

三种晶型结构的差异导致性质上也有很大的不同，其中最稳定的晶型是金红石型，结构致密，其密度、硬度、折射率和介电常数都高于板钛矿和金红石型，因而用途广泛，需求量最大；板钛矿在650℃条件下高温煅烧时转化为稳定的金红石型，锐钛矿向金红石的转化温度视煅烧过程中添加剂而定，常温下锐钛矿具有相对稳定的晶型结构和较好的光催化性质，也具有良好的产品性能和广泛用途，而板钛矿由于热稳定性较差，在工业上没有实用价值，因而研究较少。

二氧化钛晶胞结构示意图：（a）锐钛矿，（b）金红石和（c）板钛矿

纳米二氧化钛的制备

随着纳米TiO₂在各领域的广泛应用，研究人员对其制备方法也展开研究，现已经制备出多种结构的纳米TiO₂，包括纳米球、纳米花、纳米纤维、纳米管和纳米棒等。以下是常见的几种纳米二氧化钛粉体制备方法：

（1）溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法由于能够控制复合氧化物的结构和表面性质而得到广泛的应用，具有反应温度低、流程简单、成本低、产品颗粒分布均匀等优势；这种方法主要是基于一种金属醇盐的水解和缩聚，最终在一定条件下生成氢氧化物或氧化物，主要包含四个步骤：前躯体合成、溶胶、凝胶和高温煅烧。溶胶-凝胶法制备的纳米二氧化钛本质上是无定形的，需高温煅烧得到金红石型的纳米颗粒。

（2）水热合成法

水热合成法是在聚四氟乙烯反应容器中，以水或其他溶液作为溶剂，将反应器放在加热设备中进行加热，料液在高温高压的反应条件下，先溶解再结晶，最后分离得到产物。水热法制备纳米二氧化钛的前驱体通常为钛酸四丁酯、四氯化钛、异丙醇钛，溶剂为去离子水或盐酸；该方法制备的纳米颗粒不易聚集，晶粒尺寸小。

（3）水解法

水解法是指钛盐在低温下直接水解得到TiO₂。在经过离心、洗涤、干燥、煅烧、研磨等步骤后可直接得到目标产物。水解法选用的钛盐一般为四异丙醇钛、钛酸四丁酯、四氯化钛等，其中TiCl₄存在水解迅速、不易控制的问题，而前驱体选择金属醇盐时制备出来的样品粒径小、分布均匀，是理想的钛源之一。

（4）均匀沉淀法

均匀沉淀法利用化学反应，使溶液中的晶粒均匀缓慢地形成。制备纳米二氧化钛时，以无机钛酸盐或有机钛醇盐为钛源，NaOH溶液、氨水、尿素等为沉淀剂，反应生成TiO(OH)沉淀，经过滤、洗涤、干燥、煅烧后得到金红石相纳米二氧化钛。反应过程中，控制好生成沉淀的速度，就可得到纯度高、粒径小、分布均匀的产品。

（5）微乳液法

微乳液是由以下四部分：水或溶液、油、表面活性剂和助表面活性剂，所组成的透明的、热力学稳定的体系。根据连续相和分散相的不同，可以分为正向水包油相微乳液法（O/W）和反向油包水相微乳液法（W/O）。制备纳米二氧化钛时常采用反向微乳液法，其最大特点是在其内核可增溶水，形成水核，化学反应就在水核内进行，当水核内粒子生长到一定尺寸，表面活性剂分子将吸附在纳米粒子表面，使其稳定并阻止其生长。

（6）喷雾热解法

喷雾热解法是利用钛醇盐作为前驱体，使用静电超声等设备将反应物雾化，使其变成极其微小的液滴，再随载气进入到反应器中，经过水解后，最后得到目标产物的一种方法。

纳米二氧化钛的应用

（1）光催化特性的应用

日常生活中产生的汽车尾气和工业生产等带来的氮氧化物和硫化物多种气体，对空气带来很多环保问题，对TiO₂而言，其光催化作用可以将这些造成污染的气体氧化，然后在降雨过程中除去，达到净化空气的目的。由于在紫外光照射下，TiO₂表面形成的羟基自由基可以破坏有机物质，参与细胞膜的脂质氧化过程，待细胞膜被降解后，进一步对细胞内的细胞质等产生降解作用，因此TiO₂也具有抗菌作用，抗菌时间长且安全无毒，被广泛应用在抗菌陶瓷、抗菌涂料中。

（2）紫外线屏蔽特性的应用

纳米TiO₂颗粒因粒径较小，能级带隙宽度位于紫外区，因此对紫外线具有散射和吸收性能，使其可以作为紫外线屏蔽剂加入化妆品、塑料和涂料中，起到美白防晒、提高耐老化和耐候性的作用。

（3）高折射率特性的应用

TiO₂因具有高折射率和良好的热稳定性等特点，是制备高折射率纳米复合材料常用的无机组分，高折射率纳米复合材料结合有机基体和无机组分的特性，不仅具有优异的光学性能，还可以提高有机发光二极管光提取效率，在显示照明、抗反射涂层和光学透镜等领域具有广泛的应用。

（4）其他应用

太阳能作为世界上取之不尽的清洁能源，研究对太阳能的利用可以有效应对能源短缺的问题。纳米TiO2不仅具有合适的禁带宽度，而且光电化学稳定性良好、制作工艺简单，可以作为电子收集和传输材料。近年来，钙钛矿太阳能电池凭借制造成本低和效率高等优点，在太阳能电池研究领域受到极大的关注。在钙钛矿太阳能电池中，纳米TiO₂通常用于制作空穴阻挡层和电子传输层。

小结：

纳米二氧化钛不同于粒径为200–400nm的颜料级钛白粉，由于其颗粒粒径小于100nm，具有一般纳米材料的表面效应、体积效应和量子尺寸效应等效应，因此，纳米二氧化钛拥有优异的光学、热学、电学、力学和物理化学等性能。近年来随着研究的深入，纳米二氧化钛的独特性能得到广泛的关注和开发，在涂料、塑料、化妆品和电池等行业有着广泛应用。

参考来源：

1、李化全，邱贵宝等.二氧化钛制备技术研究进展

2、尹金坤.元素掺杂纳米二氧化钛的抗菌性能研究

3、田玥.微反应技术合成化妆品级纳米二氧化钛的研究

4、史瑞雪.纳米二氧化钛分散液的制备及应用性能研究

（中国粉体网编辑整理/青黎）

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