离子改性二氧化钛抗菌材料及在陶瓷领域的应用基础研究

TiO2 could purify circumstance due to their photocatalytic degradation of organic polluted compounds and antibacterial sterilization under the radiation of UV. However, photocatalytic efficiency of TiO2 is limited by its low quantum efficiency, low utilization of visible light, separating and recovering the powder after liquid sterilization. Here we focus on improving the photocatalytic antibacterial efficiency of TiO2 through metal or non-metal doped, and the photocatalytic antibacterial mechanism is studied systematically. This provides experimental basis and theoretical basis for the further application of the TiO2 nano-materials. In the present research contents, boric acid and zinc/rare earth as dopant agent, B/TiO2 and Zn/Re/TiO2 antibacterial materials are prepared, which result in expending the photoresponse interval and improving quantum efficiency. Antibacterial agent used to ceramic matrix to prepare antibacterial ceramic. Ensure that both improve ceramic antibacterial activity and does not affect the appearance and performance of the product.

TiO2光催化剂在紫外光作用下可以催化降解有机污染物、杀菌消毒，从而达到净化环境的目的。然而，在实际应用中，TiO2仍然存在着量子效率低、可见光利用率低和粉体液相灭菌后的分离回收等问题，这极大的限制了TiO2光催化剂的应用前景。本课题针对TiO2在光催化领域存在的这些问题，通过掺杂非金属及金属元素提高TiO2纳米材料的光催化抗菌活性，并系统地研究了其光催化抗菌机理，为TiO2纳米材料在光催化抗菌领域的进一步应用提供了理论依据和实验基础。研究中首次采用硼酸、锌/稀土为掺杂剂，制备硼/二氧化钛(B/TiO2)和锌/稀土/二氧化钛(Zn/Re/TiO2)光催化抗菌剂，从而扩展TiO2的光响应区间及提高量子效率。将抗菌材料负载于陶瓷表面制备抗菌陶瓷，确保既提高陶瓷抗菌活性又不影响产品的外观性能。

近年来，半导体光催化材料因在空气净化、抗菌、自清洁等方面有广泛的应用而备受关注。在众多光催化材料中，TiO2因化学性质稳定、对生物体无毒及光催化活性高而成为应用最广泛的光催化剂。然而，在实际应用中，TiO2存在量子效率低和可见光利用率低等问题，极大的限制了其在光催化领域的应用。针对TiO2存在的可见光利用率低等问题，本项目采用离子掺杂的方法，在可见光的激发下，提高TiO2光催化抗菌性能，制备得到了Zn/Ce、Zn/Y共掺杂TiO2及B掺杂TiO2纳米材料。发现：可见光条件下TiO2纳米材料无抗菌作用；Zn/Ce-TiO2的抗菌性能随Zn、Ce离子掺杂量的增加和焙烧温度的升高呈先增大后减小的趋势，暗光条件下的抗菌性能弱于材料在可见光下的抗菌性能，SO42-的引入提高了Zn/Ce-TiO2在暗光条件下的抗菌性能；Zn/Y-TiO2的抗菌能性随着锌/钇离子掺杂量的增加而增强，但存在最佳值，暗光条件下的抗菌性能弱于材料在可见光下的抗菌性能；在可见光的照射下，B-TiO2材料具有良好的抗菌性能，但杀菌性能较弱，丙三醇的加入提高了B-TiO2材料的杀菌性能。并给出了离子掺杂TiO2纳米材料的抗菌机理。同时以最优条件下的Zn/Ce-TiO2和Zn/Y-TiO2抗菌材料为原料制备得到了抗菌陶瓷，抗菌结果表明，在可见光的照射下，当涂布器厚度为20 μm，涂覆层数为2层，焙烧温度600 °C时，所制得陶瓷的抗菌性能最佳。以上研究为离子掺杂TiO2纳米材料的应用提供了理论依据和参考。