data-full-width-responsive="true"> 0 引言 锐钛型纳米TiO2 具有优异的光催化性能,
它的这种特性在杀菌、空气净化、水处理等方面具有广泛的应用前景。在光作用下,TiO2 价带上的电子跃迁至导带上,产生空穴- 电子对。该空穴- 电子对迁移到表面,与空气中的水和氧气发生反应,生成高活性自由基,该自由基对有机物有很强的降解作用,能与空气中的甲醛、氨气、苯等有害气体发生反应,将它们转化为无毒化合物,对环境空气起到极好的净化作用,并能避免二次污染的发生。同时,当其遇到细菌时,能很容易毁坏细胞膜,从而侵入细胞质,将细胞质中的原生质活性酶破坏掉,使细菌死亡。邱星林等人[1]用纳米TiO2配制成光催化净化大气环保涂料,结果表明,利用纳米TiO2 光催化氧化技术制成的环境净化涂料对空气中NOx 净化效果良好,在太阳光下降解率高达97 %。同时还可降解大气中的其
他污染物,如卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等。纳米TiO2 具有高的光催化性,纳米TiO2 光催化剂可以涂在玻璃和瓷砖表面,使得玻璃和瓷砖具有自清洁功能,任何粘污在表面上的物质,包括油污、细菌在光的照射下,通过纳米光催化作用,变成气体或者容易被擦掉的物质[2 ] 。刘永屏等人通过对纳米TiO2 的表面处理,改性内墙生态涂料对甲醛、氨气、苯等的净化效率达到90 %以上,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等的杀菌率达到99 %以上[1 ] 。随着人们环保和健康意识的提高,对室内装饰材料的要求越来越高。常用装饰材料在使用期间会逐渐释放出甲醛等有害气体。为此研究开发环保型的室内装饰材料成为当前的热点。笔者利用锐钛型纳米TiO2 在空气净化和抗菌方面的优异性能,将其用于制备环保型室内涂料,使其能够具有降解室内甲醛和抑制细菌生长的功能。1 改性涂料的抗菌和甲醛降解机理1 1 锐钛型纳米TiO2 的光催化效应纳米TiO2 的灭菌机理在于作为N 型半导体光催化材料,其电子结构特点为一个满的价带和一个空的导带。在紫外光照射条件下,当电子能量达到或超过其带隙能(3 2 eV) 时,电子就可从价带激发到导带,同时在价带产生相应的空穴,即生成电子- 空穴对。电子和空穴与空气中的H2O 和O2 作用能产生具有很强活性的OH 和O2- ,他们能将大部分有机物氧化分解成H2O 和CO2 ,主要反应如(1) ～(4) 式。
反应产生的新自由基会激发链式反应,致使细菌蛋白质变异和脂类分解,以此杀灭细菌并使之分解。纳米级的TiO2 粒径小、表面原子多,光吸收效率大大提高,增大了表面光生载流子的浓度。纳米TiO2 的比表面积大,吸附能力强,吸附的OH- 、水分子增多,由此会带来含氧小分子活性物种也随之增加,提高了反应效率。同时,由于纳米TiO2 的氧化还原电位也发生变化,由光激发而产生的价带空穴具有更正的电位,导带电子具有更负的电位,因而氧化还原能力增强。纳米TiO2 进行抗菌时,靠电子-空穴对激活表面吸附物质,产生强氧化剂,攻击细菌有机体,起到杀菌作用。这个作用是持续不断的,所以它的杀菌效果也就具有长效性。有机物的降解也是利用光催化所产生的具有强氧化性的O2- 和OH- 将有机物分子氧化分解成H2O和CO2 。1 2 铈离子抗菌机理图1 是TiO2 + Ce 的UV - Vis 漫反射图谱。从图中可以看出TiO2 + Ce 在可见光波段的吸收能力远好于TiO2 ,这是由于掺杂加入稀土离子后,使TiO2的禁带宽度由3 2 eV(对应光吸收波长358 nm) 减少到2 5 eV(对应光吸收波长500 nm 左右) ,可见Ce4 +使纳米TiO2 UV - Vis 漫反射图谱发生了红移,提高了在可见光波段的光催化能力,从而提高纳米TiO2抗菌和降解有机物的作用。
另外,铈的化学结构决定了铈具有较高的催化能力,高氧化态的铈的还原势较高,足以使其周围空间产生原子氧,原子氧具有强氧化性可以灭菌; 另外,铈离子可以强烈地吸引细菌中蛋白酶上的巯基( - SH) ,并迅速与其结合在一起,使其丧失活性,导致细菌死亡。当细菌被Ce4 + 杀灭后,Ce4 + 又由细菌尸体中游离出来,再与其它菌落接触,周而复始地进行上述过程,这也是铈抗菌持久性的原因之一。
