TiO2光催化杀菌机理及应用研究进展

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1、万方数据第9卷第17期2009年9月1671-1819(2009)17—5049-09科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVoL9No．17Scp．2009@2009Sci．'reckEngng．化学Ti02光催化杀菌机理及应用研究进展张慧书刘守新’(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040)摘要光照TiO：表面产生强氧化性的活性氧基团，通过直接或问接的方式与细菌细胞结合，对环境微生物具有抑制或杀灭作用。与传统有机、无机抗菌剂相比，TiO：光催化杀菌具有持久、耐热、安全、不易产生耐药

2、性、杀菌彻底等优点。另外，理论上光催化剂TiO：不消耗，可重复使用。主要介绍TiO：光催化剂的杀菌机理，及其在陶瓷、涂料、塑料、织物、水处理等领域的应用。并对Ti02抗菌材料的发展进行了展望。关键词纳米TiO：杀菌机理光催化中图法分类号0643．361；文献标识码A抗菌剂能够抑制细菌和霉菌繁殖，在一定时间内，使微生物的生长或繁殖保持在必要水平以下。常见的抗菌剂主要分为有机抗菌剂和无机抗菌剂两大类。有机抗菌剂主要有醛类、酚类、醇类、碘伏类、双胍类和一些表面活性剂等u’2J。有机类抗菌剂多具有毒性，并且易产生微生物抗药性，耐热性、耐紫外

3、线稳定性较差，使其在实际应用中大大受限‘3—61。目前广泛采用的无机抗菌剂主要以银为主。银离子接触细菌细胞时，与细胞机体中酶蛋白的巯基(一SH)反应，使蛋白质凝固，细菌失活[7-10]。但经Ag+杀死的细菌可释放出一种有毒物质——内毒素，内毒素可引发伤寒、霍乱等疾病，Ag+只能杀死2009年5月4日收到黑龙江省杰出青年基金(JC200801)、国家自然科学基金(30771692)资助第一作者简介：张慧书(1984一)，女，硕士研究生，研究方向：光催化，活性炭。+通讯作者简介：刘守新。E-mail：liushouxin@126．com

4、。细菌，却不能分解内毒素。另外，银离子的可控缓释问题目前仍难以实现u1。。纳米光催化抗菌剂具有传统有机无机抗菌剂所无法比拟的优良抗菌效果，具有持久性、广谱性、耐热性、不易产生耐药性、杀菌彻底等优点H2。191，且无毒、无味、对皮肤无刺激、具有极高的安全性脚】。光照TiO：表面产生的·OH可通过直接或间接的方式与细菌细胞结合，对环境微生物具有抑制或杀灭作用，从而达到抗菌的目的。另外，光催化剂TiO：理论上不消耗，可重复使用。将Ti02添加到陶瓷、涂料和纺织品中被应用于抗茵陶瓷、抗茵涂料、抗菌织物等领域，近年来关于TiO：光催化杀菌技术

5、在水处理领域的应用受到研究者广泛关注。本文主要介绍了TiO：光催化剂的杀菌机理，及其在陶瓷、涂料、织物、塑料、水处理等领域的应用。1杀菌机理纳米TiO：在低于385nm的紫外光照射下产生万方数据5050科学技术与工程9卷光生电子(e一)和光生空穴(h+)，光生空穴与催化剂表面吸附的H：O或OH一反应生成强氧化性的羟基自由基·OH，光生电子与氧分子反应生成超氧离子自由基oi，进一步生成羟基自由基·OH和H：O：等活性氧类[21-231。这些活性氧通过氧化细菌体内的辅酶A，破坏细菌的细胞壁(膜)的渗透性和DNA的结构，使电子传输中断等来

6、发挥光催化抗菌作用ⅢJ，如图1所示。TiO：光催化杀菌是·OH和其它活性氧类物质(·Of，·OOH，H：0：)共同作用的结果ⅢJ。综合国内外相关研究结果，TiO。的光催化杀菌机理主要以辅酶A氧化机理、细胞壁(膜)破坏机理和遗传物质破坏机理为主。在TiO：粉末悬浮液杀灭大肠杆菌(E．coli)实验中汹]，细胞内的辅酶A被氧化成二聚体辅酶A，使细胞呼吸作用衰退引起菌体死亡。如图2所示，随光照时间增长，大肠杆菌中辅酶A的含量下降，二聚体辅酶A的含量上升。光生空穴通过从辅酶A接受一个电子直接参与了辅酶A的氧化反应，使辅酶A通过双硫键键合为二

7、聚体辅酶A，由于辅酶A参与细胞呼吸过程的许多酶反应，细胞内辅酶A的氧化抑制了生物细胞的呼吸作用并造成了微生物的杀灭。图】纳米材料抗菌活性机制图2辅酶A和二聚体辅酶A的浓度随时间的变化曲线1．1辅酶A氧化微生物细胞是由C、H、O、N等基本元素通过化学键组合形成的有机体。活性基团氧化有机物质(如脂蛋白或核酸)的能力取决于它的标准氧化势能。而TiO：经光照产生的·OH的最高氧化势能为2．70V，如表1所示。比03(Eo=2．07V)还高30％，能够将细菌完全矿化。表1微生物细胞及其部分细胞组成成分的氧化还原势(坩．SCEpH7)微生物细胞

8、浓度．氧鸶还原驾胞组浓度／．，氧化还／cell·L-1电势／V成成分mol·L-1原电势／V注：细胞经超声处理，其中含3．6x106mL，L的辅酶A。‘表示超声处理的细胞。1．2细胞壁(膜)破坏微生物的细胞壁和细胞膜的一个重要特性就是