曾在北京和其他城市大肆流行的非典，我们每个人仍记忆犹新，它夺去了一些人的生命，带给人们长期的心理恐惧。在全国乃至全世界引发了对SARS的恐慌。通过SARS中国人的个人卫生意识、家庭卫生意识和公共卫生意识得到了很大提高，使得人们开始关注环境卫生并对环境卫生提出了更高的要求。主要表现在，一时间人们纷纷寻求安全、持久、高效、广谱的抗菌材料和环境净化材料。

事实上，纳米TiO2光触媒就是一种可以全面满足人们上述需求的环境相容性材料。自从1972年日本学者Fujishima发现TiO2具有光催化特性的现象以来，，一直倍受世界各国的关注。日本和欧美发达国家投入了大量的研究力量进行TiO2光触媒的开发和应用研究，上个世纪九十年代中期光触媒开始商品化，2000年以后光触媒市场初具规模，具有了越来越广泛的应用领域。日本作为最早发现和研究光触媒技术的国家，其在光触媒实际应用领域的开发方面也先人一步，并已在防污、抗菌、除臭、空气净化、亲水材料、水处理、可降解塑料及环保等许多方面达到实用化水平，并形成了相当规模的产业。据三菱综合研究所和日本经济新闻社等机构预测，到2005年，日本国内的光触媒及相关制品的市场规模将达到12000亿日元。未来的世界市场潜力可以达到100000亿日元，创造出了一个全新的新型材料产业。在香港台湾等地，光触媒及相关制品的市场也达到了相当规模。而在“光触媒”较发达的美国、德国市场，市场规模更是无法估测。。

“光触媒”作为最尖端纳米技术在日常生活方面的应用在欧美发达国家，家庭中“光触媒”的使用率已经达到34.75%。可见其风靡程度之高。在亚洲，日本属世界光触媒技术领先的国家之一。近年已在防污、抗菌、除臭、空气净化、亲水材料、水处理、可降解塑料许多方面达到了实用化水平，并形成相当规模的产业。由于光触媒在环境净化方面的用途广影响深，二○○二年，被日本新闻界评为"史无前例的光净化革命"。二○○五年日本国内的光触媒及相关制品的市场规模将达到100000亿日元。

美国著名的发展趋势调查公司MACXI产业咨询顾问团，应邀曾于二○○二年初，对中国十六城市进行大规模的环境意识调查，历时四个月，内容涉及环境产业的它的相关产业，掌握了丰富的第一手资料。调查结果证明，中国消费者环境净化意识提高率以每年7.4%高速增长，而环保型产品也随之大幅提升。

在国内，2003年以前的光触媒企业及光触媒产品市场几乎为零，但在“非典”疫情以后，一下子冒出数十家号称自主研发生产光触媒的企业，当然其中不乏鱼目混珠者，但强劲的市场需要和日益扩大的应用领域迅速拉动了光触媒的研究和开发。

一、TiO2光催化原理

TiO2是一种半导体，它的带隙能为3.2eV（锐钛矿型），相当于波长为387.5nm光子的能量。当TiO2受到波长小于387.5nm的紫外光照射时，价带上的电子跃迁导带上形成高活性的电子-空穴对。价带空穴使吸附水氧化，导带电子使空气中的氧气还原。在TiO2表面生成·OH O2-和·OOH基团，超氧离子和自由基有很高的反应活性。左图是TiO2的光催化原理图。

由于超氧离子和自由基具有很强的还原性和氧化性。可破坏有机物中的C-C, C-O, C-H, C-N, N-H等化学键，发生一系列的自由基反应，从而使有机物彻底氧化。达到减少污染、保护环境的目的。能迅速有效的分解污水中的高分子有机污染物，还原无机废水中的高价毒物，以及在装饰建材家居上发挥其抗菌作用。

TiO2表面的超亲水效应不同于其光催化氧化分解效应，是TiO2表面本身光诱发的另一种反应，在光照下，价带电子被激发到导带，在表面生成电子/空穴对，电子与Ti4+反应，空穴与表面氧桥基离子反应，分别形成Ti3+和氧空位，吸附在氧空位的水成为化学吸附水（表面羟基），并进一步吸附空气中的水，形成物理水吸附层，即在缺陷周围形成了高度亲水的微区，而表面剩余区域仍保持疏水性，所以在表面构成了均匀分布的纳米尺寸的亲水和亲油微区，类似于二维的毛细管现象。由于水滴的尺寸远远大于亲水微区，故宏观上表现出超亲水特性。应用于生态环境建筑材料研究领域可实现一些特殊效果，如光催化防污、自洁、防雾、防露等。右图是TiO2的超亲水性原理图。

TiO2半导体的光催化特性已经被许多研究所证实,但从利用光能的效率来看，还存在以下主要缺陷：一是二氧化钛的光吸收波长范围狭窄，主要在紫外区，太阳光的利用率低，还不到10%；二是二氧化钛中生成的电子-空穴对的复合率很高，到达表面的电子-空穴对很少，因此量子效率较低，从而导致光催化性能不明显。

人们从半导体的缺陷理论出发对二氧化钛进行掺杂处理。采用非金属离子对二氧化钛进行掺杂，窄化禁带，提高光催化效率。非金属离子(如N)具有能量相对较高的p轨道，用N元素取代O以提高光催化剂的价带电位(如图)，窄化带隙。2001年Asahi等在Science上报道了氮替代少量的晶格氧可以使TiO2的带隙变窄，在不降低紫外光活性的同时，使TiO2具有可见光活性，大大拓宽了它的应用效果。大量研究表明，N掺杂容易实现且TiO2-xNx性能优异。

纳米TiO2光触媒，具有高效的抑菌杀菌和降解环境污染物的作用，同时无污染、无刺激性、安全无毒，是一种理想的抗菌材料。

纳米科技的发展为人类治理环境开辟了一条行之有效的途径，我们可以合理利用自然光资源，通过纳米TiO2半导体的光催化效应，在材料内部由吸收光激发电子，产生电子-空穴对，即光生载流子，迅速迁移到材料表面，激活材料表面吸附氧和水分，产生活性氢氧自由基（·OH）和超氧阴离子自由基（·O2－），从而转化为一种具有安全化学能的活性物质，起到矿化降解环境污染物和抑菌杀菌的作用。

纳米TiO2光催化应用技术工艺简单、成本低廉，利用自然光即可催化分解细菌和污染物，具有高催化活性、良好的化学稳定性和热稳定性、无二次污染、无刺激性、安全无毒等特点，且能长期有益于生态自然环境，是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。

二、TiO2光触媒的作用

1.抗菌：杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、绿脓杆菌、病毒等。

2.空气净化：分解空气中有机化合物及有毒物质如苯、甲醛、氨、TVOC等。

3.除臭：去除香烟臭、垃圾臭、生活臭等恶臭。

4.防霉防藻：防止发霉、防止藻类的产生, 防止水垢的附着。

5.防污自洁：分解油污，自清洁。

6.防锈防褪色：防止金属生锈，防止被涂物体褪色。

 
三、TiO2光触媒应用领域

光触媒的应用范围极其广泛，几乎涉及到任何一个行业，也涉及到人们生活的每个角落，而且，更重要的一点是，许多新的用途仍在不断被开发之中，产品结构可能是所有商品中最庞大的一个系列。

1．用作抗菌剂：

1)医院、宾馆、学校、幼儿园、公共场所 、2）医疗器械、设备、3）抗菌瓷砖、洁具、灯具、4）空调滤网、5）餐具、6）汽车、火车车厢、飞机机舱、7）抗菌口罩、防护服装

2．室内空气净化

1)居家、2）医院、办公室、学校、3）车站、公共休息室、娱乐场所、4）汽车、火车内、5）空气净化器

3．自洁作用

1)建筑外墙、2）玻璃、瓷砖、3）交通护栏、路牌、隔音板、4）广告牌、霓虹灯、5）车、船、飞机机身、6）照明设施、7）城市雕塑

4．大气净化

1)建筑外墙、2）高速公路隔音板、3）桥梁、4）烟气净化、5）大型广告牌

5．水净化

1)污水处理、2）蓄水槽、3）滤水器、4）游泳池、5）河里的石头

6．防霉、防藻

1)医院手术室、2）食品厂、3）浴室、4）养鱼池?养鱼缸 水族馆、5）储水槽、6）游泳池

四、纳米二氧化钛粉体的水热合成

水热合成法与其他制备工艺相比较，具有操作温度低、产物纯度高、分散性好、粒度均匀、分布范围窄、无团聚、晶型好、形状可控、易工业化等优点。水热合成可以通过提高反应压力而不需作高温灼烧处理，避免了纳米粉体容易硬团聚的问题，而且通过改变工艺，可实现对粉体粒径和晶型的精确控制。此外，在较低温度下实现反应，适于大批量生产。基于上述原因，水热合成成为制备纳米二氧化钛最具前途的方法之一。本项目以水热合成技术研究纳米二氧化钛粉体及其氮掺杂粉体的制备。

1、水热法制备纳米二氧化钛

本项目采用工业级TiOSO4作前驱物，制备出了纳米级的锐钛矿型TiO2粉体。所制得粉体的XRD图谱如图1所示，由XRD图谱分析可知，所得粉体为锐钛矿相，用谢尔公式算得其晶粒度仅为6.76nm，经检测其比表面积为226m2/g，当量球径仅为6.9nm。图2为透射电镜照片，照片上所看到的晶粒尺度与用XRD算得的结果很相近，晶粒近似为球形，而且颗粒度也在几十纳米左右。

对粉体做煅烧处理，图3为所制得的粉体在300℃,500℃,700℃,900℃下保温1小时后，所得的各个样品的XRD图：在500℃以下时粉体的晶粒度没有明显变化，经检测，其中所含微量有机物的去除还使得其比表面积有少量的增加，但是晶型更加完整；在900℃还没有向金红石转变。而这具有十分重要的意义。有关文献报道的纳米二氧化钛粉在温度为400℃~600℃就开始向金红石相转变，而金红石相的光催化性能很差，所以在把纳米二氧化钛粉用于制备抗菌洁具，抗菌釉面砖等需要热处理的产品时，在热处理过程中就会很容易相变，使得二氧化钛失去应有的光催化性能。而当其相变温度提高到900℃以上时，就可以满足抗菌陶瓷和抗菌瓷砖的应用要求，这就为纳米二氧化钛的应用开辟了更广泛的前景。

2、水热法制备N掺杂纳米TiO2粉体

采用水热合成法，在100~150°C的条件下制备了氮掺杂纳米TiO2粉体（TiO2-xNx），解决具有高分散、高紫外光和可见光光催化特性的纳米TiO2-xNx粉体的制备问题，研究纳米TiO2粉末水热合成过程中N取代TiO2中晶格O的机理及其与光响应特性的关系。将其光响应频率范围由紫外光波段大幅度红移到可见光波段，吸收边达到700nm（可见光波长400~770nm）。

由图4可知生成的TiO2均为锐钛矿型，其晶型良好。由谢尔公式计算其晶粒度10.91nm。测得其比表面为：144.92m2/g，根据dBET＝6／ρSBET计算平均粒径为10.8nm.

图5中Ti2p1/2 与Ti2p3/2的结合能分别为464.25ev、458.45ev。与纯TiO2中Ti2p1/2 与Ti2p3/2的结合能464.2ev、458.5ev一致。O1s的结合能为529.35ev，这也与纯TiO2中O1s的结合能529.9ev较好的一致。从图中看到明显的N1s峰存在。经过计算，N含量为1.32%。

由图6可知，样品在紫外光波段(200~400nm)吸收强烈，在可见光波段直到700nm处仍然有吸收。这表明制得的样品具有较好的可见光响应，同时紫外光响应良好，大大地提高了太阳光的利用率，增强了它的光催化性能，拓宽了它的应用效果。

3、纳米改性涂料的制备。

根据生产实际，采用水溶性有机溶剂硅丙乳液、表面活性剂等，掺如自制氮掺杂纳米二氧化钛粉末，制成新型环保涂料。固体含量为54.9%；颜基比为5.05。

将制得的涂料均匀涂覆于经过预处理的载玻片的表面，进行涂料在可见光下的定量抗菌实验：对加入普通纳米TiO2粉（方案1）与加入掺氮纳米TiO2粉体（方案2）的自制涂料进行0、1、2、4、6小时抗菌定量实验，实验细菌为金黄色葡萄球菌。实验数据如表2所示。

表2 不同纳米TiO2改性涂料的抗菌定量实验

样品   时间	普通纳米TiO2粉（方案1）				掺氮纳米TiO2粉（方案2）
	菌落数			菌落数平均值	菌落数			菌落数平均值
	试样1	试样2	试样3		试样1	试样2	试样3
0h	619	634	602	618	664	552	640	619
1h	526	563	513	534	83	106	95	95
2h	396	354	381	377	2	1	5	3
4h	316	298	305	307	0	0	0	0
6h	118	162	193	157	0	0	0	0

抑菌效果可以通过抑菌率公式计算，具体计算为：抑菌率=[（实验前的细菌数－实验后的细菌数）/实验前的细菌数]×100%。

经过6小时抗菌定量实验，方案1三个试样的平均抑菌率为74.53%，方案2三个试样的平均抑菌率在实验开始2h时已达99.51%。

图7 是氮掺杂纳米TiO2改性涂料的菌落计数法抗菌实验照片。从图7可见，氮掺杂纳米TiO2改性的涂料在可见光照射下，1小时开始就有了明显的杀菌效果，到2小时细菌大部分已被杀灭，4小时以后细菌全部杀灭。

五、市场前景

1．纳米二氧化钛粉末

钱学森院士曾预言：纳米科技将是21世纪的又一次产业革命。21世纪将进入纳米科技时代。纳米材料和纳米技术几乎可以影响生活、生产的各个领域，在电子、通讯、航天、环保、医疗、能源、制造业等领域具有广阔的应用前景。有关专家预测在2003年全世界纳米技术营业额将达到1000亿美元，到2010年市场容量可能增长到14400亿美元，其中纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合功能材料市场容量将达到5000亿美元以上。

纳米TiO2产品具有许多无与伦比的优异性能，能产生十分重要的光催化氧化效应、光效应、增强增韧效应、同时还具有高安全性、耐久性、耐热性和广谱杀菌性，因而应用领域非常广泛，是一种绿色环保新型产品。纳米TiO2作为一种光催化剂，越来越受到人们的广泛重视，正在成为工业化技术，这为环境污染的消除开辟了广阔的前景。纳米TiO2可取代钛白粉，广泛应用在各种产品中。当前国内钛白粉的年需求量约为20万吨，仅需取代5%，纳米TiO2的年需求量即可达到1万吨，市场价值20亿元以上。目前国内还没有掺氮纳米TiO2面市，预计其价格会是纳米二氧化钛的两倍，其市场价值将非常可观。

2．环保抗菌涂料

具有关资料统计，99年世界涂料总产量约为2800万吨，其中建筑涂料占30%，约800万吨左右；到2001年，建筑涂料产量在世界涂料总产量中占53.3%，产值占总产值的43.2%。在工业发达国家，建筑涂料为消费比例最大的一类涂料，占涂料总产量的50%左右。我国建筑涂料发展水平还很低，1994年产销量为40万吨，1995年为60万吨，1998年达到120万吨，2003年为160万吨，预计2005年我国建筑涂料的产量将达200万吨。若抗菌涂料占其中分额的10%，需求将达到20万吨以上；且随着人们环保意识的增强，城镇化进程的加快，对环保抗菌涂料的需求将逐步增加。从市场增长率分析，全国建筑涂料市场需求平均增长率为20%，北京、上海、广州的增长率将达40%以上，涂料工业发展十分迅速。从市场空间分析，虽然我国涂料产销量已跃居世界第四位,但是人均消费量却大大低于工业发达国家。产量居世界前三位的美国、德国、日本，涂料人均年消费量分别达到22千克、27千克和17千克，世界平均水平为4千克，而我国仅为2千克，市场发展空间十分巨大。从产品结构来看，欧美国家的建筑涂料品质普遍地高于我国同类型、同等产品，且新产品、高品质的产品多，绿色环保建筑涂料所占比例得到大幅度提高，北美由1992年的51%上升到2002年的74%，欧洲由1992年的51%上升到2002年的73%[3]，而我国中高档建筑涂料只占涂料总量的30%左右。综合分析，目前我国涂料市场总的发展态势是：总量供大于求，中低档产品过剩；部分高档产品供应不足，市场上对高档次涂料和功能性的涂料需求还很大。建筑涂料的发展方向将向着绿色环保、功能化、高性能和高档次方向发展；向着高装饰性、耐久性、抗沾污性方向发展；而低VOC环保型和低毒型水性涂料、纳米改性功能涂料是今后中高档建筑涂料发展的一个主要方向。

四、投资需求

1.项目的技术特点

水热法生产掺氮纳米TiO2功能材料是纳米材料制备方法的一项技术创新，在国内外尚属空白。该项新技术工艺简单、易控，制备成本较低，对环境友好，容易实现大规模产业化生产，所制备的纳米粉体粒径可达到5-20nm，产品纯度高、分散性好。该项新技术为国际首创，是纳米材料制备方法中最具有应用前途的创新方法，具有十分独特的技术优点：

(1)以硫酸法生产钛白粉的中间产物为原料，材料来源丰富、易得；

(2)生产过程对环境无污染，为可持续发展的“绿色工艺”，产品纯度高，粒径小，分布窄，比表面积大，性能好，用途广泛；

(3)反应在反应釜中进行，操作简便，易于控制；

(4)生产设备具有通用性，可根据市场需求生产不同种类系列纳米氧化物材料，投资风险小，容易实现大规模产业化生产；

(5)产品不需要后处理，市场竞争力强。

2. 项目投资估算

掺氮纳米二氧化钛年产100吨投入规模的主要技术经济指针：

①项目所需固定资金额：1000—1500万元。

②项目所需流动资金额：120—200万元。

③项目年产值：≥ 4千万元

④固定资金投资回收期：2~3年

⑤投资利润率：≥37%

3.应用效益

利用掺氮纳米TiO2的抗菌、杀菌性能应用于医疗卫生等行业，可明显提高相关产品的各项性能，对预防各种传染病的流行，保证广大人民的身体健康，将产生巨大的社会效益，同时也带来巨大的经济效益，估计相关纳米功能产品的收入超过100亿元。利用纳米TiO2 的光催化效应可广泛应用于环境保护和环境治理中，可将各类传统产品提升为环保产品，从而产生巨大的环境效益。

4.合作方式

专有技术许可使用，股权投资，合作开发，风险投资等方式均可。

联系人：谢盛良

电话：010-62611720-82362617668-823

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