Замечательные свойства нано-диоксида титана в фотокатализе 

Полупроводниковый фотокатализ — это процесс, при котором полупроводники под воздействием света преобразуют энергию света в химическую энергию, способствуя тем самым синтезу или разложению соединений. Многие полупроводниковые материалы, такие как TiO₂, ZnO и Fe₂O₃, обладают подходящей структурой зон, чтобы служить в качестве фотокатализаторов. Среди них TiO₂ широко используется в качестве полупроводникового фотокатализатора благодаря своей химической стабильности, сильным окислительно-восстановительным свойствам, нетоксичности и низкой стоимости.
Диоксид титана обычно имеет три кристаллические формы: анатаз, рутил и брукит. Из них форма брукита является нестабильной и, следовательно, менее изученной. Зазор между валентной зоной и зоной проводимости в форме анатаза составляет 3,29 эВ, что немного больше, чем у рутила. Следовательно, для индуцирования электронных переходов требуется более высокая энергия света. Однако анатаз демонстрирует более длительное время жизни возбужденного состояния, а его поверхность более эффективно адсорбирует кислород в анионной форме. Эти свойства придают форме анатаза превосходную фотокаталитическую активность. Нано-диоксид титана имеет смешанную кристаллическую структуру фаз анатаза и рутила, преимущественно анатаза.

Фотокаталитические применения TiO₂ в основном включают следующее:
(1) Фотоминерализация – очистка сточных вод
Когда TiO₂ подвергается воздействию ультрафиолетового света (<385 нм), электроны в валентной зоне переходят в зону проводимости. Полученные в результате фотогенерированные электроны и дырки мигрируют в разные места на поверхности, чтобы участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. Например, молекулы воды обычно адсорбируются на поверхности диоксида титана, где окисление генерирует гидроксильные радикалы; одновременно кислород восстанавливается до супероксидных анионов, которые могут быть далее восстановлены до пероксидных анионов. Эти анионы обладают умеренной окислительной способностью, что позволяет этим оксидам окислять подавляющее большинство органических соединений и неорганических загрязнителей, минерализуя их в неорганические малые молекулы, углекислый газ и воду. Следовательно, диоксид титана находит применение в очистке сточных вод, удалении запахов и процессах самоочистки.
(2) Стерилизация
Высокоокислительные гидроксильные радикалы, образующиеся в ходе этого процесса, эффективно разрушают клеточные стенки бактерий и белки вирусов. Таким образом, нано-диоксид титана эффективно препятствует размножению различных микроорганизмов, включая бактерии и вирусы, на поверхности жидкостей и в жидкостях. Он также может применяться в качестве поверхностного покрытия для предотвращения обесцвечивания, вызванного ростом водорослей.
(3) Индукция супергидрофильности
Поверхности, покрытые пленкой TiO₂, под воздействием ультрафиолетового излучения образуют дырки, в результате чего происходит вышеупомянутая реакция гидроксилирования. Это делает поверхность высокогидрофильной, благодаря чему грязь с нее очень легко смывается.