流化床反应器中原子层沉积超薄非晶态 TiO2薄膜：提升 TiO2颜料耐候性的新突破

TiO2颜料因自身光催化活性会致涂层变色、开裂，工业常用的液相涂层法难以制备均匀薄膜。研究人员将纳米颗粒流化技术与原子层沉积（ALD）技术结合，在自制流化床 ALD 反应器中为 TiO2纳米颗粒包膜。结果表明该法能精准改性，提升颜料耐候性。

　　

在材料科学领域，TiO₂凭借其出色的亮度、白度和稳定性，广泛应用于涂料、塑料、造纸等行业，堪称材料界的 “多面手”。然而，TiO₂也有着自己的 “小脾气”，它的固有光催化活性会促使周围有机物氧化，导致涂层变色、开裂，严重影响产品的质量和使用寿命。为了 “驯服” TiO₂的这一特性，给它穿上一层 “防护衣”—— 在其颗粒表面包覆透明惰性薄膜成为了常见手段。

目前，工业上主要采用液相涂层法来实现这一目的。但这一方法就像一场 “苛刻的考验”，对制备条件要求极为严格，在不同的 pH 值、温度等条件下，制备出的薄膜质量参差不齐，很难获得真正均匀的薄膜。而且，液相法制备的薄膜较为疏松，往往需要增加涂层厚度才能完全屏蔽 TiO₂的光催化活性，这不仅造成了涂层材料的浪费，还会影响 TiO₂涂层的光学性能。因此，寻找一种简单高效的方法制备超薄、致密且均匀的屏蔽薄膜迫在眉睫。

为了解决这些难题，国内研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们将纳米颗粒流化技术与原子层沉积（ALD，Atomic Layer Deposition）技术巧妙结合，利用自制的大气流化床 ALD 反应器（FB - ALD），对大量微纳米颗粒进行精确的表面改性，旨在提升 TiO₂颜料的耐候性。这项研究成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是纳米颗粒流化技术，该技术可提高气固接触效率和传质传热速率，解决纳米颗粒因粒径小易团聚难以流化的问题。其次是原子层沉积技术，这是一种气相沉积方法，通过交替向反应室引入两种反应物实现自限制生长，能在原子尺度精确控制涂层厚度。研究中还利用自制的振动流化床 ALD 反应器，在常压下对 TiO₂纳米颗粒进行处理，以实现大规模精确改性。

下面来详细看看研究结果：

• TiO₂纳米颗粒流化实验：研究人员对自制 ALD 反应器中纳米颗粒的流化特性进行了深入研究。他们发现，在一定的气体流速范围内，增加振动幅度能够有效改善 TiO₂纳米颗粒的流化状态，降低其最小流化速度，从而确保大量 TiO₂纳米颗粒在反应器中实现均匀流化，为后续的均匀涂层奠定了坚实基础。
• 非晶态 TiO₂薄膜的沉积：以 TiCl₄和 H₂O 为前驱体，在 80°C、常压条件下，于 TiO₂纳米颗粒表面沉积非晶态 TiO₂薄膜。令人惊喜的是，薄膜的生长速率稳定，每个周期约生长 1.09?。经过 30 个 ALD 周期后，薄膜厚度达到约 3.1nm。
• 薄膜对光催化活性的抑制效果：通过在紫外光照射下对亚甲基蓝的降解实验，研究人员验证了 TiO₂涂层薄膜对 TiO₂纳米颗粒光催化活性的屏蔽效果。结果显示，3.1nm 厚的非晶态 TiO₂薄膜几乎可以完全抑制 TiO₂的光催化活性。而且，相较于其他传统涂层材料，非晶态 TiO₂具有更高的光折射率，在不引入其他物质的情况下就能有效抑制 TiO₂的光催化活性，展现出在 TiO₂颜料涂层领域巨大的应用潜力。

研究结论表明，自制的流化床 ALD 反应器能够实现大量纳米颗粒的均匀流化，并通过控制 ALD 周期数，精准地获得超薄、贴合的涂层薄膜。这种方法无需严格控制反应物浓度、pH 值等条件，操作更为简便。该研究不仅展示了界面工程在提升颜料耐候性方面的卓越性能，还为纳米颗粒的表面改性提供了全新的思路和方法。这一成果有望推动 TiO₂颜料在各行业的广泛应用，为相关产业的发展带来新的契机，让 TiO₂这一 “多面手” 在材料科学领域发挥更大的作用。