[发明专利]二氧化钛光催化剂组合物及其应用

说明书

领域

本发明涉及包括二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒的新型光催化剂组合物，其可用于处理微生物疾病，更具体的，植物中的微生物疾病。

背景

在过去的几十年中，材料性能的开发和探索导致认识了结晶金属氧化物如TiO₂的光催化剂性质。在这个领域已经投入了很多力量进行研究，从而得到了很多潜在应用如传感器，光催化剂，和光伏。这种材料的性质取决于它们的化学组成，尺寸和形状。更具体的，当该材料的粒度减小时，因为表面积大量增加，可展现新的物理和化学性质。但是，如陈（Chen）等在TiO₂颗粒的合成方法和物理化学的全面综述所讨论的（《化学评论》（Chemical Reviews）卷107，第2891-2959页,2007年），物理性质和光催化活性之间的关系是很复杂的，且优化的条件和结构可随具体情况而变化。

在发现TiO₂的光催化一些年之后，研究表明TiO₂在紫外（UV）辐射（387纳米）下辐照60-120分钟后，可用作光活性抗微生物涂层；该涂层能对大肠杆菌(Escherichia coli)和嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)有高效的杀菌作用(松永等人，FEMS微生物快报（FEMS Microbiology Letters），第29卷，第211-214页，1985)。后续的工作导致开发了纳米级的TiO₂制剂，其对大量细菌、真菌和病毒组织都有抑制作用(例如，次郎（Tsuang）等，人造器官（Articial Organs），卷32，第167-174页，2008年，以及乔（Choi）等，角矫正医师（Angle Orthodontist）,卷79，第528-532页，2009年)，包括那些存在于表面时会增加医院获得性感染风险的组织(S.J当斯（Dancer，S.J.），柳叶刀感染病(Lancet infections Diseases)，卷8，第101-113页，2008年)。因此，当需要在无生命物体表面减少微生物污染时，可在该表面上应用纳米级的TiO₂涂层，随后进行UV辐射。

最近，有几篇报道表明TiO₂可应用至植物上以提供某些好处。卡外（Kawai）提出来自TiO₂制剂应用的光催化氧化效应降解有机材料，并由此增加在树叶表面局部的CO₂浓度，导致植物的糖含量增加，并且还通过氧化植物脂质诱发能减少致病性微生物的内源性植物防御机制，从而在至少某些植物中创建杀菌环境（美国专利6,589,912）。据报道，平均粒度为30纳米的市售光催化纳米级TiO₂可以加速开花和结果，并减少某些疾病的发生（日本专利2006-632721）。另一课题组也报道了平均粒度为30纳米的光催化纳米级TiO₂可以降低黄瓜叶中两种细菌的疾病程度，还可增加光合作用速率（张（Zhang）等，Nanoscience，卷12（1），第1-6页，2007年；张（Zhang）等，Journal of Inorganic Materials,卷23（1），第55-60页，2008年；崔（Cui）等，NSTI-Nanotech,卷2，第286-289页，2009年）。

纳米级TiO₂可以吸收UV范围内的光，但对可见光范围的光的吸收度很少；这个特征使它在防护UV损坏是有帮助的应用中成为一种有用的组分。但是，在某些应用中，优选的需要取得在更长波长的光的光催化效应。例如，室内光一般具有最低的UV能量，这显著减少纳米级TiO₂展现光催化的能力。类似的，在农业应用中，更高的光催化效率可降低应用比率和成本，且通过增加光催化剂中俘获的可用太阳辐射的比例会带来多重好处。因此，提高在更高波长的吸收度将使更多应用受益于光催化效应。

许多年的研究已显示TiO₂的吸收光谱可通过引入改变其晶体晶格结构的掺杂剂来改变。一篇最新的报道表明其吸收光谱可延伸至整个可见光区，以制备一种人眼看来是黑色的材料（陈（Chen）等，Science Xpress,第1-10页，2011年1月20日在线出版，Science.1200448）。但是，这么宽的吸收光谱并不是植物应用所需的，因为它们靠太阳辐射来进行光合作用。