二氧化钛的亲水性原理

2025-03-21 19:45:19

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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.叉可表现为超亲水性、采用间歇紫外光照射就可使表面始终保持超亲水状态。

　　

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：TlO2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.但却降低丁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，油性墟体如乙二醇十六烷、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表面具有水油双亲和性。

　　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掏的变化：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.空穴则与表面桥氧离子反应，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.成为化学吸附水{表面羟摹).化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，彤成物理吸附层.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- 。

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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.叉可表现为超亲水性、采用间歇紫外光照射就可使表面始终保持超亲水状态。

　　

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：TlO2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.但却降低丁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，油性墟体如乙二醇十六烷、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表面具有水油双亲和性。

　　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掏的变化：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.空穴则与表面桥氧离子反应，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.成为化学吸附水{表面羟摹).化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，彤成物理吸附层.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- 。

回答3：

二氧化钛其实是一种非常优秀的增白剂和防晒成分，所以这也可以解释为什么防晒霜和素颜霜里都有它，下面我们就来了解一下这个美白成分吧！
二氧化钛的功效
二氧化钛主要在化妆品的应用就是防晒
二氧化钛的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关:当粒径较大时，对紫外线的阻隔是以反射、散射为主，且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖，属一般的物理防晒，防晒能力较弱;随着粒径的减小，光线能透过二氧化钛的粒子面，对长波区紫外线的反射、散射性不明显，而对中波区紫外线的吸收性明显增强。其防晒机理是吸收紫外线，主要吸收中波区紫外线。由此可见，二氧化钛对不同波长紫外线的防晒机理不一样，对长波区紫外线的阻隔以散射为主，对中波区紫外线的阻隔以吸收为主。
二氧化钛对紫外线的吸收机理可能是：纳米二氧化钛的电子结构是由价电子带和空轨道形成的传导带构成的，当其受紫外线照射时，比其禁带宽度（约为3.2eV）能量大的光线被吸收，使价带的电子激发至导带，结果使价电子带缺少电子而发生空穴，形成容易移动且活性很强的电子空穴对。这样的电子空穴对一方面可以在发生各种氧化还原反应时相互之间又重新结合，以热量或产生荧光的形式释放能量，另一方面可离解成在晶格中自由迁移到晶格表面或其它反应场所的自由空穴和自由电子，并立即被表面基团捕获。
二氧化钛主要可以美白
二氧化钛，俗称钛白粉，是一种白色细小颗粒状粉末，无气味，不溶于水和有机溶剂，是一种非常常用的着色剂，是白色颜料中着色力最强的一种，具有优良的遮盖力和着色牢度。由于二氧化钛的这种特性，它常常被添加到一些美白面霜、BB霜、粉底等化妆品当中，充当即时的美白成分，达到即时美白（涂完后即时变白）的效果。
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二氧化钛的功效和作用素颜霜里都有它
怎么知道化妆品中二氧化钛用途
看成分表中，二氧化钛的标注形式就知道了。作为美白剂/着色剂的二氧化钛一般会标注为”CI77891″，而作为防晒剂使用的二氧化钛，一般会在成分表中标为“二氧化钛”。
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二氧化钛的功效和作用素颜霜里都有它
二氧化钛其他应用
1、作油漆中的白色颜料和瓷器釉料。
二氧化钛是世界上最白的东西，l克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。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。
2、气体净化
对于一些室内有害气体和打起污染气体，二氧化钛可通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。可有效地降解污染物，净化室内空气。
3、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
4、处理有机污水和无机污水
以二氧化钛为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质。除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，二氧化钛能够捕获表面的光生电子而发生还原反应。从而净化污水，此外还广泛应用于生产防晒霜，无毒性，对人体无害。
5、防雾、自清洁功能
二氧化钛薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。
另外本产品在电讯器材、合成纤维、治金、造纸、塑料、油墨、涂料、橡胶、印染等方面亦有广泛的用途。
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二氧化钛的功效和作用素颜霜里都有它
二氧化钛的副作用
二氧化钛既是一种防晒剂，也是一种色素（代码CI77491），因为二氧化钛是世界上最白的东西。加入洗面奶中，可能是希望洗完后在脸上有一些残存，从而让肤色显白。作为一种较为稳定、无刺激性的物质，二氧化钛不会对皮肤造成伤害。不过，也有人认为，二氧化钛具有光触媒作用，能够在光照下产生自由基，自由基可能对皮肤有害，不过此说还需要进一步考证和研究（有称：锐钛型会有光触媒的作用，金红石型不会有这个问题）！

回答4：

二氧化钛（TiO2）材料因优秀的光催化性能，应用于化妆品、抗菌除污和催化体系等。1997年，日本科学家藤岛昭等在《自然》上首次报道了常温下紫外照射的TiO2表面发生从疏水到亲水的浸润转变。近年来，许多课题组提出了较多不同的机制解释这一亲疏水转变现象，包括表面氧缺陷、表面水解离产生OH、表面污染物吸附/解离等，但该领域一直存在争议。实际上，该领域有一些基本问题，例如，常温下TiO2表面到底是亲水还是疏水的基本问题，尚不完全清楚。

中国科学院上海高等研究院研究员王春雷、高嶷，联合美国宾夕法尼亚大学教授J. Francisco、复旦大学刘韡韬实验课题组、中科院上海应用物理研究所、中科院理论物理研究所，以TiO2的Rutile晶型110面为例，通过表面和频振动光谱理论计算和实验发现常温下该表面上由于强的TiO2/水的相互作用存在双层有序水，进而基于传统力场+机器学习训练力场的经典分子动力学模拟进一步发现，该有序水导致水层上水滴存在（接触角约25度），即出现了常温不完全浸润的双层有序水现象。这为探究常温TiO2表面浸润性提出了全新机制：TiO2表面自身是超亲水的，但表面吸附的有序水层体现出弱疏水现象。这解决了本征TiO2表面的亲疏水性问题的基本问题。进一步，基于这一新机理，我们可以探索紫外照射TiO2发生从疏水到亲水的浸润转变的机制：表面OH或者氧缺陷会破坏表面有序水层，进而增强表面水层的亲水性。而表面吸附甲酸乙酸分子可以有效的驱替表面水分子，造成表面更加疏水，这解释了该材料在空气中放置时间久以后接触角更大（约45度）的现象。
2009年，王春雷等理论预言了常温下不完全浸润的有序单层水现象（Phys. Rev. Lett., 2009, 103, 137801），提出宏观疏水和微观亲水共存于一个表面即分子尺度亲水性。后续，较多课题组在理论和实验上在不同材料中均发现该现象，如重金属Pt和Pd、氧化物SiO2和Al2O3，以及滑石和羧基自组装单分子层表面等，表明该现象广泛存在。而TiO2体系是该理论的又一实例（但该表面上是双层水结构），并运用该理论解决了领域内长期存在的问题。
相关研究成果发表在Chemical Science上。研究工作得到国家自然基金优秀青年科学基金项目/面上项目、中科院青年科学促进会的支持。　　

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