自清洁微纳米纺织品

自清洁微纳米纺织品主要内容光催化技术的发展概况纳米光催化材料光催化材料原理纳米光催化材料制备与性能测试纳米光催化纺织品加工纳米光催化纺织品性能评价光催化技术的发展概况光催化技术指的是光化学和催化两者的结合，1972年日本学者Fujishima和Honda在《自然》杂志上发表论文，报道了在光电池中当光辐射TiO2时，TiO2单晶电极光分解水，可持续地发生水的氧化还原反应，并产生了氢气，使人们看到了光催化在新能源开发和利用方面的巨大潜力，标志着多相光催化时代的开始。在过去的三十年中，科学家们在探索光催化过程的机理，提高半导体颗粒的光催化活性和光催化效率方面进行了大量研究工作。光催化技术的发展概况1976年JohnH等报道了在紫外光照射下，发现在TiO2悬浊液中，浓度约为50μg/L的联苯氯化物经过半小时的光照反应，即可全部脱氯，且中间产物没有联苯。这一研究很快被应用于环境治理领域，被认为是光催化技术在消除环境污染物方面的首创性研究工作。Goswami在一篇综述中详细列出了300多种可被光催化氧化的有机物，其中美国环保总局公布的114种有机污染物被证实均可通过光催化氧化消除，半导体光催化技术用于废水处理显示出了诱人的应用前景纳米光催化材料光催化是指半导体材料在光照射下，通过把光能转化为化学能，促进有机物降解和金属离子还原等过程。光催化反应有两大类型，一是上坡反应（即自由能上升的反应），可以把光能转化成化学能，如光的水解，但因转化率太低，离实际应用还较远。另一类是下坡反应（即自由能下降的反应），这类反应是处理废气、废水和固体有机废弃物、改善环境的一种行之有效的方法。常见的光催化材料各类光催化材料中，常见的有TiO2、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe等。金属硫化物如CdS、CdSe具有较窄的禁带宽度，对可见光敏感。α-Fe2O3也吸收可见光，激发波长560nm，但是催化活性较低。In2O3、SrTiO3、SnO2、WO3催化活性很低。TiO2、ZnO、CdS已被广泛研究。其中TiO2具有价廉、无毒、稳定和可回收等优点，是目前公认的光反应最佳催化剂。光催化材料原理半导体粒子含有能带结构，通常情况下是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，它们之间由禁带分开。当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，其价带上的电子被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴。TiO2光催化反应机理TiO2光催化材料具有很多优越性，其特点是：不发生光腐蚀；耐酸碱性好；化学性质稳定；对生物无毒性；来源丰富；能隙较大，光生空穴的电位为3.2eV，有很强的氧化性。TiO2光催化反应机理当TiO2被能量大于其禁带宽度的光照射时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子(e-)，同时在价带留下空穴(h+)。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，他们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在TiO2粒子表面上的物质发生氧化还原反应。空穴能够同时吸附在TiO2粒子表面的OH-或H2O发生作用生成·OH。·OH是一种活性很高的粒子，能够无选择的氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂。光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2·-等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。半导体TiO2光催化氧化反应机理半导体TiO2光催化氧化反应机理示意图半导体TiO2光催化氧化反应机理上图示的反应式如下：·OH能与电子给体作用将其氧化，e-能够与电子受体作用将其还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化，反应式如下：纳米光催化材料的制备方法（1）溶胶-凝胶法室温下将1.5mLTiCl4缓慢滴加到15mL无水乙醇中，经15min超声振荡得到均匀透明的淡黄色溶液，将该溶液在密闭环境中静置一定时间进行成胶化，就可获得具有一定粘度的透明溶胶。该溶胶经353K加热处理，除去溶剂就可形成淡黄色的干凝胶，再经不同温度（573-773K）热处理1h就可得到TiO2纳米粉体。经773K煅烧1h形成的TiO2纳米颗粒具有锐钛矿型晶相结构，大小的分布很均匀，平均颗粒大小为10nm[1]。纳米光催化材料的制备方法（2）水热合成法称取18g硫酸钛溶于150mL水中并不断搅拌，再称取9g尿素溶于上述溶液中，继续搅拌直到尿素完全溶解为止。反应液中硫酸钛和尿素的浓度分别为0.5和1.0mol·L-1。将反应液放入200mL的反应釜中并在不同温度下水热处理一段时间。反应完成后取出反应釜，冷却至室温，将分离的沉淀物用蒸馏水反复洗涤至中性，最后在80℃下真空干燥即得到白色的TiO2粉末[2]。纳米光催化材料的制备方法（3）化学气相沉积法化学气相沉积法中的TiCl4气相氧化法主要用于生产250nm左右的金红石型涂料钛白。通过工艺条件的控制，该法还能快速形成纳米级锐钛矿型、金红石型或混晶型TiO2粒子[3-7]，后处理简单、连续化程度高，对环境影响较小，但液相法反应周期长、三废量较大[8]。通过调节反应温度T和物料停留时间t来控制粒子形态制备不同晶型和粒径的TiO2粉体。各种方法的优点与不足制备方法优点不足溶胶-凝胶法（sol-gel）粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好前驱体为钛醇盐，成本高水热合成法晶粒完整、粒径小，分布均匀，原料要求不高，成本相对较低反应条件为高温、高压，材质要求高化学气相沉积法（CVD）粒径小，分散性好，分布窄，化学活性高，可连续生产技术和材质要求高，工艺复杂，投资大微乳液法可有效控制TiO2纳米粉末的尺寸易团聚纳米光催化材料的性能测试可采用以下仪器表征光催化材料的性能：（1）X射线衍射图谱技术（XRD）（2）扫描电子显微镜（SEM）（3）透射电子显微镜（TEM）（4）红外光谱分析技术（FTIR）负载型TiO2/凹凸棒石纳米材料的制备负载型TiO2/凹凸棒石纳米材料的制备流程负载型TiO2/凹凸棒石TEM图300℃煅烧2h负载型TiO2/α-Fe2O3纳米材料的制备负载型TiO2/α-Fe2O3纳米材料的制备流程负载型TiO2/α-Fe2O3的SEM、TEM图A:α-FeOOH在350℃下煅烧的透射电镜图B:350℃下煅烧的TiO2/α-Fe2O3复合光催化剂的场发射扫描电镜图像纳米氧化钛光催化材料的应用污水处理空气净化器防雾及自清洁涂层抗菌材料光催化分解水光催化净化的基本原理示意图采用光催化氧化技术能在室温下利用空气中的水蒸汽和氧气去除空气中的污染物光催化空气净化器基本净化流程主要有机物光催化降解反应有机物催化剂光源光解产物烃TiO2紫外CO2，H2O卤代烃TiO2紫外HCl，CO2，H2O羧酸TiO2紫外，氙灯CO，H2，烷烃，醇，酮，酸表面活性剂TiO2日光灯CO2，SO32-染料TiO2紫外CO2，H2O，无机离子，中间物含氮有机物TiO2紫外CO32-，NO32-，NH4+，PO43-，F-等有机磷杀虫剂TiO2紫外，太阳光Cl-，PO43-，CO2防结雾和自清洁涂层方面的应用•在紫外光照射下，水在氧化钛薄膜上完全浸润。因此，在浴室镜面、汽车玻璃及后视镜等表面涂覆一层氧化钛薄膜可以起到防结雾的作用•在窗玻璃、建筑物的外墙砖、高速公路的护栏、路灯等表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛薄膜在太阳光照射下产生的强氧化能力和超亲水性，可以实现表面自清洁有机污垢无机污垢CO2H2O抗菌材料活性超氧离子自由基和羟基自由基能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效的杀灭细菌。研究的范围包括TiO2光催化对细菌、病毒、真菌、藻类和癌细胞等的作用。涂覆有TiO2纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷用于医院、食品加工等场所在医院和公共场所涂刷含有纳米氧化钛光催化剂的抗菌材料，抑制细菌在公共场所的传播含有纳米氧化钛材料的假牙新型的含有纳米氧化钛粉末的牙齿漂白剂含有纳米氧化钛粉体的抗菌纤维光催化分解水将二氧化钛用于光催化分解水，产生氢气和氧气，可提供无污染的、高效的、无害的清洁能源二氧化钛光解水的反应机理纳米光催化纺织品加工2004年，香港理工大学的研究人员用棉布片和TiO2溶液制得自洁净纺织品，当纺织品的表面覆盖一层TiO2的时候，在光照条件下反应而产生自由电子和空穴，它们使空气中的杨活化从而产生活性氧和自由基，最终将某些有机污染物分解为CO2和H2O，由此起到洁净环境和除臭等作用。TiO2催化剂只需在阳光下就能永远发挥其作用，因此这种自洁净效果可以永久维持。含有TiO2的非织造布或纺织品，可制成窗帘、床单、地毯、家具及车床用布和各种装饰用品，也可用作空气及废水的净化处理用品。又如采用化学方法将TiO2负载到棉织物上，实验室条件下制备的在紫外光照射下可以对葡萄酒、化妆品、汗渍及咖啡造成的污渍具有自洁净功能。参考文献[1]EckertJ,HolzerJC，KrillCE,etal.JMaterRes,1992,7(7):1751-1761.[2]朱敏.华南理工大学学报(自然科学版),2002,30(11):89-94.[3]ScholzG,StosserR,KleinJ,etal.JPhys:CondensMater,2002,14:2101-2117.[4]李建林,曹广益,周勇，等.无机材料学报,2001,16(4):709-714.[5]李凤生.特种超细粉体制备技术及应用.北京：国防工业出版社,2002.[6]杭建忠,施利毅.上海市颗粒学会2005年年会论文集.96-99.[7]OdaS,OtaobeM.MaterResSocSympProc,1995,358:721-731.[8]施利毅,陈爱平，朱以华,等.化学反应工程与工艺,1999,15(2):213-217.[9]张庆生,张海峰,邱克强,等.材料研究学报,2002,16(1):9-12.[10]PadellaF,ParadisoE,BurgioN,etal.JLess-CommonMetals,1991,175(1):79-90.