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江滬“鈦”行業(yè)歷史回望
20世紀(jì)說到“鈦”，也許很多人會感到陌生，當(dāng)時(shí)“鈦”被稱為稀有金屬。曾經(jīng)成立的中國稀土集團(tuán)也許是物以稀為貴的原因，從冶金部、中國有色金屬工業(yè)總公司、國家有色金屬工業(yè)局、一直到中國稀土集團(tuán)的機(jī)構(gòu)改革過程中，“鈦”始終是有色行業(yè)的小金屬不那么起眼，每年產(chǎn)能還不到2000噸，鈦業(yè)人在行業(yè)內(nèi)的話語權(quán)如其產(chǎn)能一般：微乎其微。
進(jìn)入21世紀(jì)以來，也許是國家大劇院的鈦屋頂伴隨嘹亮的歌聲用“鈦”的穿透力“讓鈦飛揚(yáng)。”現(xiàn)在不光知道有鈦這種金屬的人多了，而且知其然還知其所以然，對鈦的優(yōu)異性能的了解也是入木三分。最讓鈦業(yè)人心動的是，中國已經(jīng)成為鈦產(chǎn)業(yè)大國和鈦消費(fèi)品大國，2003年二氧化鈦產(chǎn)量不足萬噸，如今產(chǎn)能早已突破20萬噸。現(xiàn)在的鈦不再是物以稀為貴，而是物以優(yōu)為貴。鈦的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬廣，鈦的優(yōu)異性能越來越惠及人類，這也為人們了解鈦創(chuàng)造了條件。從上世紀(jì)原國務(wù)院副總理方毅到遵義鈦業(yè)視察題詞“有才盡利用，無技不求精”至今，有色行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)一直在關(guān)心關(guān)注著中國鈦工業(yè)的發(fā)展。因?yàn)椋瑳]有國家的支持，中國是很難成為鈦工業(yè)大國的。的確，當(dāng)初弱不禁風(fēng)的中國鈦工業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)步入強(qiáng)身健體的發(fā)展階段，可以說中國鈦工業(yè)已經(jīng)逐步走向“鈦入人心鈦飛揚(yáng)”的高端發(fā)展時(shí)代
二氧化鈦的作用原理
作為鈦的最普及的應(yīng)用領(lǐng)域二氧化鈦，已經(jīng)作為重要的新能源和環(huán)境保護(hù)材料，在光催化、太陽能發(fā)電、太陽能集熱等方面被廣泛應(yīng)用。然而，二氧化鈦的太陽能利用面臨巨大的挑戰(zhàn)，主要原因在于光吸收范圍窄、電子-空穴對的分離效率低。二氧化鈦只能吸收太陽光譜中~5%的紫外光，而無法利用可見光和近紅外光的能量；本征電導(dǎo)率只有~10-10 S/cm，不利于光生電子-空穴對的分離和傳輸。這些問題嚴(yán)重影響了二氧化鈦在能源與環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無法充分利用太陽能。
最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院開展了合作研究，科研人員原創(chuàng)地發(fā)展出多種新型制備方法(氫等離子法、鋁還原法、二步非金屬摻雜法)，大幅提高了太陽光譜中可見光和近紅外光的吸收，效果明顯。這些最新發(fā)現(xiàn)的黑色二氧化鈦納米晶，不同于高溫氫氣還原的黑色氧化鈦，為一種核殼結(jié)構(gòu)，核區(qū)仍為結(jié)晶的二氧化鈦，外殼為無定型的結(jié)構(gòu)，其中無序的外殼是使白色二氧化鈦?zhàn)兂珊谏墓δ軈^(qū)域，無序的外殼包含氧空位或非金屬X摻雜(X=H、N、S、I)。該結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致對太陽光的吸收高達(dá)85%，遠(yuǎn)優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道(30%)。
黑色二氧化鈦制備原理
良好的太陽能寬譜吸收、化學(xué)物理穩(wěn)定性，以及改善的載流子濃度和電子遷移性能，可以滿足高效太陽能的要求。其中，氮摻雜的納米黑色二氧化鈦，太陽光催化分解水，產(chǎn)氫率達(dá)到15 mmol h-1 g-1，處于報(bào)道最優(yōu)異的可見光催化劑之列；對有機(jī)污染物的降解速率是商用納米二氧化鈦(P25)的四倍。黑色二氧化鈦納米管陣列用作光化學(xué)電池(PEC)電極，光能向氫化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.67%，為二氧化鈦基PEC轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)值。
研究成果被Chemistry Views以Titania: Black is the New White為題做了新聞專題報(bào)道，被認(rèn)為在新能源(太陽能發(fā)電、光催化制氫)和環(huán)境(污染物降解、抗菌消毒)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。國際公司與大學(xué)已經(jīng)購買小批量樣品，用于環(huán)境保護(hù)應(yīng)用。部分研究結(jié)果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013),Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊，已申請發(fā)明專利3項(xiàng)。
二氧化鈦行業(yè)遠(yuǎn)矚
隨著二氧化鈦產(chǎn)能急劇擴(kuò)張，中國已成為全球第一大鈦白粉生產(chǎn)國。我國現(xiàn)有60多家鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)，多數(shù)以硫酸法生產(chǎn)工藝為主，且通用型產(chǎn)品較多，高檔金紅石型專用鈦白粉等高端產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)尚處于起步階段。
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