辽宁省锦州市黑山县第一高级中学 121400
摘 要：本文主要介绍了纳米二氧化钛材料的物理特性，如纳米二氧化钛材料的光催化特性、光电转换特性、超亲水性及锂离子储存特性在环境保护及储存能源等各个领域所显现出来的巨大应用。由于现在的环境污染问题日益严峻及人们对能源短缺问题越来越多的重视，纳米二氧化钛材料的应用在节能环保和储能方面所占的优势也越来越明显。所以发挥纳米二氧化钛的长处让其更好地服务于更多的领域，是我们目前需要努力和研究的方向。
关键词：纳米二氧化钛材料 光催化特性 光电转换特性 超亲水性
一、纳米二氧化钛的光催化特性
纳米二氧化钛的光催化特性可在未来给我们带来巨大的使用前景，其广阔的运用潜质被很多科学家所青睐。研究表明其光催化特性和其独特的结构有关，尤其与其晶度、晶相、分散性和粒径等密切相关。尤其是纳米二氧化钛粒子个体的缩小，可以导致晶体的光吸收边蓝移，也可使离子的比表面积增大，这些都有利于光催化反应效率和速率的提高。在纳米二氧化钛三中矿型结构中，锐钛矿的稳定性是最低的，但是它的光催化活性却是最高的，反而金红石的构造要比锐钛矿坚固得多，但是它的光催化性能就显得较弱。有研究表明，如果将两种矿型的晶体即金红矿和锐钛矿的晶体均匀的掺杂在一起，其光催化活性相较于两种中任一种活性都强。这是因为在两种不同晶体构造的组合下，锐钛矿中电子和空穴的电荷分离被促进，流动的电子和空穴增多，所以光催化特性得到显著增强。
纳米二氧化钛具有光催化特性主要是由于当用波长在387.5纳米以下的不可见光作用在它上面时产生了能量，促使价带上的电子发生跃迁，在导带上激发电离出电子，留下了带正电的空穴，这两种电性的粒子形成了正负粒子对儿，在二氧化钛表面与氧气和水产生反应。排列在二氧化钛表面的空穴将OH-与水一起反应生成HO自由基，而在最能夺取电子并且据为己有的就是HO自由基，且他那个表格一大半的污染物发生反应，争夺电子对将其还原，溶解在外表的氧气分子与电子反应形成O２－。外表存在的电子拥有很强的还原能力，能够还原溶液里的金属离子，氧化形成的原子氧和氢氧自由基还可氧化消除含碳化合物生成二氧化碳，水和无机物。
现如今，为了使TiO2在更多的领域应用，技术人员在二氧化钛中掺杂Fe、Mo、Re、Pt、Ag、Cu和Rh等金属离子。增强其光催化特性，使其在室内光线下也可以进行反应。
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二、纳米二氧化钛的电荷传输特性
现如今，半导体纳米粒子的光物理和光化学性能是科学研究领域最受欢迎最有价值的功能，纳米二氧化钛有着十分明显的量子尺寸效应，多孔大比面积光化学电池就是纳米半导体构成的具有光电转换方面具有优异转换性能的电池，应用前景十分广阔。纳米二氧化钛的构造特殊，若将其应用在电池的两级，会形成一种特殊的多孔电极结构，而这种电极因其结构特别，其电荷的流通方法也与众不同。
传统的电荷流动是在空间层下按一定方向流通的，但是二氧化钛多孔膜电极由于里面的杂质少所以电子和空穴碰在一起的概率小，电子流动速度小于固体材料。研究显示，二氧化钛多孔膜电荷定向运动过程中，电子在膜里能够往左右不同的朝向流动，所以能够被电解液中的受主中和，但被中和后会使电子的总数减少，所以要添入一定量的物质用来增加光能向电能的转化。
另外，纳米TiO2较大的禁带宽度和耐光腐蚀性也有利于其作为太阳能电池光电极材料，实验表明，掺杂了某些杂质的纳米二氧化钛除了光催化特性之外其光电转化效率也会有所改变。向纳米二氧化钛中加入适量的金属离子、半导体、导电高聚物、贵金属以及非金属离子，可以显著增强二氧化钛的光电转换效率，从而扩充它对可见光的吸收领域，提高太阳能电池的效率。
三、纳米二氧化钛的超亲水性
纳米二氧化钛对水有很强的“亲和力”，而这种“亲和力”可以帮助瓷砖卫生洁具、玻璃等与污染物进行隔离，在它们的表面形成一种隔离层而使他们能有易清洁、自清洁等特点。
汽车后视镜就是一个很好的例子，如果后视镜表面存在纳米二氧化钛薄膜，那么当温度变化而使气体液化时，后视镜表面将不会形成水滴影响视线，而是均匀的一层水薄膜附在上面。如果行驶时赶在了雨天，那么由二氧化钛薄膜的存在也会使落在后视镜上的水迅速化开，铺在镜面，不会对光进行散射，也不会影响司机的视线，这样可以确保行驶安全。
实验证实，水和纳米二氧化钛外表接触的角度不大于70度时可以阻止霉菌的生成，接触的角度不大于100度时可以使纳米二氧化钛执行自清洁的功能，小于150度时有高水流动性。外光照射下，水在二氧化钛薄膜表面的润湿角为0度时，这种现象被称为二氧化钛薄膜超亲水性。
纳米二氧化钛是在纳米技术下赋予了二氧化钛更多的物理化学性质形成的产物，因此纳米二氧化钛具有很多纳米级的特性，而这些性质让纳米二氧化钛具有很多生产生活方面的应用。现如今，纳米二氧化钛应用的领域多数集中在环境保护和能源方面，但也有很多在化学化工和生物医学方面起着最重要作用，如化妆品行业、医院、食品包装应用等等。
早在很多年前，科学家就预料到纳米二氧化钛的产生会给社会带来巨大的经济效益和社会效益，但是迄今为止纳米的发展仍处于摸索上升阶段，纳米二氧化钛的应用领域十分局限。纳米二氧化钛可发挥作用的领域宽广，对待纳米二氧化钛，我们仍需不断地探索实验，让其在更多领域绽放光芒。
论文作者:吴彤
论文发表刊物:《中小学教育》2019年第354期
论文发表时间:2019/2/18
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