２０１２年第２０期 科技一向导 ◇高教论述◇ 纳米ＴｉＯ２制备和应用的综述 李玲玲 （中国矿业大学江苏徐州２２１１１６） 【摘要】本文简单地介绍了纳米ＴｉＯ 的制备方法及其广泛应用的几个领域，其制备方法有气相法和液相法．气相法包括低压气体蒸发 法，活性氢一熔融金属反应法，溅射法流动液面上真空蒸发法，钛醇盐气相水解法，ＴｉＣｈ高温气相水解法．钛醇盐气相分解法：液相法包括沉淀 法，水热法，溶胶凝胶法，微乳液法。目前主要被应用于光催化．光伏电池等方面。 【关键词】二氧化钛；常】备；应用 ０．引言 二氧化钛俗称钛白粉，钛白粉的粘附力强，不易起化学变化．它不 溶于酸、碱、水及一般有机溶剂，甚至也不与化学反应强烈的气体如 氯、硫化氢等发生反应。而且它无毒，在常温常压下物理性质也非常稳 定，具有高的熔点．耐蚀性高，导电性低．钛在地球金属元素中储藏量 很大，它有三种晶型：金红石、锐钛矿、板钛矿，绝大部份以二氧化钛的 氧化型态存在地球各处，即原料易得。所以它具有耐久、耐磨耗性、安 全性高、经济性与广泛实用用途等优势。 １．纳米二氧化钛的制备方法 纳米ＴｉＯ 制备方法有很多种，归结起来可以分为气相法和液相 法两大类．下面对这两种方法进行综述 １．１气相法 １．１．１低压气体蒸发法 在低压的氩气，氮气等气体中加热二氧化钛，使其蒸发后形成超 微粒或纳米微粒的方法。其原理：在蒸发炉先形成高真空，然后充入一 定压力的惰性气体．将原料二氧化钛放人干锅中．启动加热装置进行 加热蒸发．是固体二氧化钛变为气体二氧化钛，由于惰性气体的存在． 与蒸发气产生对流．使得气体二氧化钛向上运动．并接近充冷液氮的 冷却装置，气体二氧化钛原子被冷却，在蒸气中形成很高的局域过饱 和，导致均匀成核过程，在接近冷却棒的过程中，二氧化钛蒸气首先形 成原子簇，然后形成单个纳米微粒。 １．１．２活性氢一熔融金属反应法 活性氢一熔融金属反应法是利用含有氢气的等离子体与金属钛 之间产生电弧，高压电弧使金属熔融，电离的Ｎ ，Ａｒ等气体和 溶人 熔融金属。然后释放出来．在气体中形成了金属的超微粒子．用离心收 集器或过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米二氧化钛微粒 １．１．３溅射法 溅射法是利用两块金属板分别作为阳极和阴极．阴极为蒸发用的 材料，在两电极间充入Ａｒ气’两电极问施加的电压范围为Ｏ－３—１．５ｋＶ。 由于两电极间的辉光放电使Ａｒ离子形成。在电场的作用下Ａｒ离子冲 击阴极靶材表面，靶上的ＴｉＯ 就由其表面蒸发出来，被惰性气体冷却 而凝结成纳米ＴｉＯ：粉末，粒度在５０ｎｍ以下，粒径分布较窄。 １．１．４流动液面上真空蒸发法 凝胶作为前驱体，第一步是根据反应原理．将反应物混合加入进行反 应，制备钛的氢氧化物凝胶，第二步将凝胶转入高压釜内，加热（＜ ２５０￣Ｃ），使得反应釜处于高温、高压的环境，使难溶或不溶的物质溶解 并且重结晶，生成纳米ＴｉＯ 粉体。 １．２．３溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是用含高化学活性组分的化合物作为前驱体．在液相 下将这些原料均匀混合，并进行水解．缩合化学反应．在溶液中形成稳 定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间的缓慢聚合．形成三维空间网 络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂．形成凝胶 凝胶 经过干燥后烧结固化制备出纳米亚结构的材料 １．２．４微乳液法 微乳液法是近年来发展起来的一种制备二氧化钛的新方法．微乳 液法制备纳米二氧化钛是在表面活性剂的作用下．使水溶液高度分散 在油相中形成热力学的稳定体系．反应得到无定形的二氧化钛．进一 步煅烧．析晶得到 ２．纳米二氧化钛材料的应用 早期的二氧化钛被应用于涂料。化妆品，抗菌剂．污水净化等领 域，随着纳米二氧化钛材料的发展，其应用更为广泛，在光催化，尤其 是在光伏电池方面得到应用 ２．１光催化应用 二氧化钛被认为是最有效且环保的催化剂．其光催化原理是当 二氧化钛受到彼长小于３８７１５ｎｍ的紫外光的照射时．价带上的电子 跃迁到导带．激发电离出电子的同时产生正电性的空穴．形成电子一 空穴对．与吸附溶解在其表面的氧气和水反应。分布在表面的空穴将 ＯＨ和Ｈ２０氧化成ＨＯ自由基。ＨＯ自由基的氧化能力是在水体中存 住的氧化剂中最强的。能氧化大部分的有机污染物和无机污染物．而 且对反应物几乎无选择性，在光催化氧化中起着决定性的作用。 ２．２光伏电池应用 二氧化钛制作的电极近几年来在光伏电池上．尤其是染料敏化电 池上有了很大的研究．并有了很大的应用 ＤＳＳＣ是一种电化学太阳电 池．但与常规的电化学太阳电池相比．在半导体电极与染料上有很大 的改进。ＤＳＳＣ作为薄膜光伏电池的一种．主要的优势是原材料丰富， 成本低廉．性能稳定，制备工艺相对简单。电池制作中主要工艺是大面 用电子束在高真空下加热蒸发ＴｉＯ：，蒸发物落到旋转的圆盘下表 积丝网印刷技术和简单浸泡方法，有利于大面积工业化生产。而且原 面油膜上，通过圆盘旋转的离心力在下表面上形成流动的油膜 含有 材料和生产工艺都无毒、无污染．电池中的导电玻璃可以得到充分的 Ｏ 电极的结构和性质对ＤＳＳＣ的 超微粒子的油被甩进了真空室的壁面，然后在真空下进行蒸馏获得 回收．对保护环境有重要的意义。Ｔｉ性能起着重要作用。染料敏化ＴｉＯ：纳晶薄膜太阳能电池是一种新型 ＴｉＯ 超微粒子。 的高效、低成本太阳能电池。Ｚｕｋａｌｏｖａ Ｍ等用有序多孔ＴｉＯ：纳米晶体 １．２液相法 与用相同厚度的传统无序锐钛矿相ＴｉＯ 液相法是目前使用最为广泛的一种方法，这种方法的优点是：原 薄膜为电极制备的光伏电池．料来源比较广泛．操作设备简单，成本低，可用于工业化大规模生产， 纳米晶体薄膜为电极制备的光伏电池相比，太阳能转化效率提高了 目前最常见的有沉淀法．水热法．溶胶凝胶法，微乳液法 １．２．１沉淀法 沉淀法是在无机钛盐溶液中加入沉淀剂（如ＯＨ等１后，在一定温 度下使溶液发生水解．形成不溶性钛的氢氧化物或钛盐从溶液中析 出．并将溶剂或溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所 需的二氧化钛粉料 ５０％ 在光伏电池中用ＴｉＯ 纳米管做电极时＇由于纳米管电极的电子 密度更高，太阳能转化效率更高。 ３．结束语 纳米二氧化钛粒子以其优异的性能在工业上获得了广泛应用．日 本的帝国化工公司、曹达公司．德国的迪高公司等外国公司均已实现 了纳米二氧化钛的工业化生产 而我国纳米二氧化钛的研究历史较 短。从目前研究的各种的制备方法来看，主要存在以下一些问题：１）如 １．２．２水热法 大 水热法制备纳米粉体是在特制的密闭反应容器（高压釜）里．采用 何通过控制化学计量比和非化学计量比来控制粉末的组成、形状、水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应 小和粒度分布．有待于进一步深入研究。２洛种方法都存在规模小、生 生产效率低等缺点．难以实现工业化生产。对纳米粉末的微 环境，使前驱物在水热介质中溶解，进而成核、生长、最终形成具有一定 产成本高、粒度和结晶形态的晶粒水热法制备粉体常采用固体粉末或新配制的 观结构研究还有待于进一步深入，对纳米二氧化钛微粉（下转第８５页） ◇高教论述◇ 科技一向导 ２０１２年第２Ｏ期 浅谈节能建筑 王怡舒 （中国地质大学＜武汉＞艺术与传媒学院湖北武汉４３００７４） 【摘要】节能建筑是指遵循气候设计和节能的基本方法，对建筑规划分区、群体和单体、建筑朝向、间距、太阳辐射、风向以及外部空间环 境进行研究后．设计出的低能耗建筑。能源是我国的战略物质和经济发展的动力，又是后代人生存的必要条件，建筑节能是贯彻国家节约能源 法和可持续发展战略的大事．所以节能建筑的设计者又实际上承担了一份牵涉到国家发展战略和后代人生存条件的社会责任。 【关键词】节能建筑；类型；重要性；责任 太阳能建筑一体化．现阶段主要有两种体现形式：一是光热建筑 在建筑上安装太阳能热水器、采暖器等，将太阳能转化为热能 各类建筑应按照相应的节能设计标准设计，设计文件应符合相应 体化．节能设计标准的规定。如：居住建筑应按照湖北省地方标准《居住建 再加以利用。二是光伏建筑一体化．即将太阳能光伏产品集成到建筑 筑节能设计标准￣ＤＢ４２／３０１—２００５设计并符合其规定；旅游旅馆建筑 上．充分利用建筑外表面，安装多种光伏发电产品，所产生的电能或供 应按照《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准）ＧＢ５０１８９—９３设 自身使用或并网输送。由于太阳能资源极为充沛．并且可供安装太阳能产品的建筑面积 计并符合其规定：公共建筑应遵照公共建筑节能设计标准设计并符合 太阳能建筑一体化的前 其规定：设有集中采暖与空调系统的建筑，应遵照采暖通风与空气调 不断增加和太阳能开发利用技术的不断进步．景越来越被人看好。由于在节能方面有着明显优势且推广利用成本不 节设计规范设计并符合其规定等。 高．光热建筑一体化成果喜人。据介绍，我国已成为世界上最大的太阳 １．１节能建筑设计应贯彻“因地制宜”的设计原则 每年的总产量已经超过１５００万平方米，产 这里所指的“地”主要是指建筑物所在地的气候待征。如武汉属典 能热水器生产国和消费国．００亿元．占全世界推广量的７０％以上，每年以２５％以上的速 型的夏热冬冷地区．其气候特征。主要表现为夏季闷热，冬季湿冷。因 值超过２ 此，武汉地区的节能建筑．必须适应武汉地区的气候特征，既不能照搬 度递增。２．２地热泵 严寒地区的建筑型式．也不能照搬夏热冬暖及海洋性气候地区的建筑 地源热泵是热泵的一种．是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬 型式．更不能照搬四季如春的温和气候地区的建筑型式。 暖夏凉的空调技术．地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利 １．２建筑外围护结构的热工设计应贯彻超前性原则 现行建筑节能设计标准对建筑外围护结构热工性能的规定性指 用极小的电力来维持室内所需要的温度 在冬天．１千瓦的电力．将土壤或水源中４—５千瓦的热量送入室 标．水平较低．仅仅是实现现阶段节能５０％目标的需要，距离舒适性 过程相反，室内的热量被热泵转移到土壤或水中，使室内 建筑的要求甚远．与发达国家的差距很大。随着我国经济的发展．建筑 内。在夏天．节能设计标准将分阶段予以修改．建筑外围护结构的热工性能会逐步 得到凉爽的空气。而地下获得的能量将在冬季得到利用。如此周而复 将建筑空间和大自然联成一体。以最小的低价获取了最舒适的生 提高。由于建筑的使用年限长。到时按新标准再对既有建筑实施节能 始． 改造是很困难的．因此应贯彻超前性原则，特别是夏季酷热地区．建筑 活环境。３．结语 外围护结构（屋顶、外墙、外门外窗）的热工性能指标应突破节能设计 标准规定的最低要求．予以适当加强．应控制屋顶和外墙的夏季内表 节能建筑还应注重生态环保 生态环保是指建筑本身．都要适应 面计算温度。 地域的气候特征．充分利用基地周边的自然条件．从建造、运行到拆除 １－３建筑设计者要有社会责任感 再利用．各个环节都对环境不构成威胁．在建筑中力争做到“取于自 社会上的人每做一件事．就自觉或不自觉地对社会承担了一份社 然，回归自然”。 会责任，工程设计更是如此。设计单位和设计人员设计一项工程，工程 节能建筑强调建筑运营和使用全过程的少废、少污。要求建筑系 如空气污染、水污染、固体垃圾 自施工建设开始．设计者就开始对它承担起终身的社会责任。工程责 统尽可能减少对自然环境的负面影响．任的范围广．且责任重大，所负责任的时间长（直至设计使用周期止）。 等污染物的排放．减少对生物圈的破坏．最终达到维系一个人类与自 因为能源是我国的战略物质和经济发展的动力．又是后代人生存的必 然生物和谐共存的生态环境。绿色建筑要对物理环境加以控制，通过 要条件．建筑节能是贯彻国家节约能源法和可持续发展战略的大事． 各种绿色技术手段合理地提高建筑室内的舒适性．同时保障人的健康 所以节能建筑的设计者又实际上承担了一份牵涉到国家发展战略和 生活，给居民提供良好的生活环境质量。● 后代人生存条件的社会责任 １．节能建筑设计原则和要求 一２．现行的节能建筑技术 ２．１太阳能 【参考文献】 ［１］俞孔坚，２００２，景观的含义．时代建筑，１：１４—１７． ［２］俞孔坚，景观：文化、生态与感知【Ｍ１．北京：科学出版社，１９９８． ［３］周维权．中国古典园林史［Ｍ】．北京清华大学出版社，１９９９． ［４］彭一刚．中国古典园分析［Ｍ】．中国建筑工业出版社，２００１． ［５］郦芷若，朱建宁．西方园林ｆＭ１．河南科技出版社，１９９９． ［６］刘滨谊．现代景观规划设计ｆＭ１．东南大学出版社，１９９６． ［７］彭一刚．中国古典园林分析【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，１９８６． 太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等都 来自太阳能．太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应．不停地释 放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量。这就是太阳能。太阳内 部的这种核聚变反应可以维持很长时间．据估计约有几十亿至几百亿 年，相对于人类的有限生存时间而言．太阳能可以说是取之不尽．用之 不竭的 （上接第５６页）特有的化学、物理机械性能，应从理论、微观结构人手研 （４）． ［２］石玉龙，谢广文．二氧化钛的用途及其薄膜的制备方法【Ｊ】．电机电器材料， 究他们产生的机理。总之，随着纳米材料体系和各种超结构体系研究 （３）：３７－４０． 的开展和深入．纳米二氧化钛超细粒子制备技术将会得到日益改 ２０００，进。 ［３］石西昌，王赛，王劲．纳米１３０ 的制备［Ｊ】．化工新型材料，２００３，（０３）． ［４］张平原，谭雪铨，张平凡．溶胶一凝胶法制备纳米粉体的研究进展［Ｊ】．化学推进 剂与高分子材料，２０００，ｆ０１）． ［５］Ｘｌ￣祥义，向兰，金涌．液相化学法制备纳米粉体材料的研究进展田．现代化工， ２００２，（０１）． 【参考文献】 ［１］张烨．纳米二氧化钛光催化技术在环境科学中的应用．大理学院学报，２００６
