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为什么TiO2如此亲水?

2020年10月27日 点击:

二氧化钛(化学式:TiO₂,白色固体或粉末状的两性氧化物,分子量:79.9,是一种白色无机颜料,具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被认为是现今世界上性能最好的一种白色颜料。钛白的粘附力强,不易起化学变化,永远是雪白的。二氧化钛是一种重要的白色颜料和瓷器釉料。用于油漆、油墨、塑料、橡胶、造纸、化纤、水彩颜料等行业。二氧化钛是世界上最白的东西,1克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂雪白。

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它比常用的白颜料一—锌钡白还要白5倍,因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛,一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里,使纸变白并且不透明,效果比其他物质大10倍,因此,钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。为了使塑料的颜色变浅,使人造丝光泽柔和,有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上,二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。半导体二氧化钛的光化学性能已使其可用于许多领域,如空气、水和流体的净化。以碳或其他杂原子掺杂的光催化剂也可用于具有散射光源的密封空间或区域。用于建筑、人行石板、混凝土墙或屋顶瓦上的涂料中时,它们可以明显增加对空气中污染物如氮氧化物、芳烃和醛类的分解。此外还广泛应用于生产防晒霜,无毒性,对人体无害。超细二氧化钛具有优异紫外光屏蔽性和透明性。被广泛用在化妆品、木器保护、食品包装塑料、耐久性家用薄膜、人造纤维和天然纤维、透明涂料中。在金属闪光涂料中的特殊光学效应,使之在高级轿车漆中得到重视和应用。


TiO2表面超亲水性原理:

通常情况下,TiO2镀膜表面与水有较大的接触角.但经紫外光照射后,水的接触角减少到5度 下,甚至可达到0度(即水滴完全漫润在Tio2表面).显示非常强的亲水性。停止光照后.表面超亲水性可维持数小时到1周左右.随后慢慢恢复到照射前的疏水状态。再用紫外光照射.又可表现为超亲水性、采用间歇紫外光照射就可使表面始终保持超亲水状态 。

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最初认为TiO2表面的超亲水性起固于表面吸附有机分子的光催化分解反应:TiO2表面本身所具有的化学吸附水是亲水性的.而吸附空气中有机物后使表面疏水.紫外光照射下.表面生成强氧化性的活性羟基,疏水性的有机物通过光催化分解反应被活性羟基氧化分解.从而使表面表现为亲水性状态;停止光照,有机物又会慢慢吸附在TiO2表面,回到疏水状态。但进一步的研究表明TiO2表面的超亲水性不同于TiO2的光催化的氧化分解特性.而是TiO2表面本身光诱发的另一种反应。理由如下:①TiO2表面超亲水程度与有机物的光分解效率无关.在一些完全没有光催化活性或光催化活性很低的TiO2单晶或多晶表面均观察到了超亲水特性;② 一些金属离子(如铜)掺杂可提高TiO2的光催化氧化反应.但却降低于TiO2 表面的超亲水特性;③与光催化氧化反应所要求的TiO2表面多孔化、反应面积尽可能大不同.平滑、致密的表面更有利于其超亲水特性;④ 紫外光照射后TiO2表面对油也具有很大的亲和性,在正常条件下,油性体如乙二醇 十六烷、三油酸甘油酯等与TiO2表面有较大的接触角.但经紫外光照射后,这些液体也会完全浸润在玻璃镀膜表面.即紫外光照射后TiO2表面具有水油双亲活性。

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目前的研究认为.在光照条件下TiO2表面的超亲水性起固于其表面结构的变化:在紫外光照射条件下TiO2价带电子被激发到导带.电子和空穴向TiO2表面迁移,在表面生成电子空穴对.电子与Ti4+ 反应.空穴则与表面氧离子反应,分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时.空气中的水解离吸附在氧空位中.成为化学吸附面(表面羟基).化学吸附面可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附层.即在Ti3+缺陷周围形成了高度亲水的徽区.而表面剩余区域仍保持疏水性,这样就在TiO2表面构成了均匀分带的纳米尺寸分离的亲水和亲油徽区,类似于二维的毛细管现象 由于水或油性液滴尺寸远远大于亲水或亲油区面积,故宏观上TiO2表面表现出亲水和亲油特性。滴下的水或油分别被亲水微区或亲油徽区所吸附.从而浸润表面。停止紫外光照射后,化学吸附的羟基被空气中的氧取代,重又回到疏水性状态。