二氧化钛微纳米颗粒的光学特性与粒径、形貌及晶型的相关性研究及其在健康与环境中的应用

这篇综述通过单颗粒质谱(SPMS)、光学光谱和气溶胶表征技术，系统研究了不同粒径（纳米/微米级）和晶型（锐钛矿/金红石）二氧化钛(TiO2)颗粒的形貌特征与紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)光学性质关联，揭示了颗粒分形结构对光衰减系数的特异性影响，为防晒剂开发、大气工程（SAI）等应用提供关键数据支撑。

　　

Highlight

颗粒形貌与组成

通过四种粒径分析仪对两种TiO₂粉末（纳米级21nm vs 微米级<5μm）的多分散颗粒进行检测（图1），发现等效直径分布强烈依赖于测量原理。微米级粉末主要含金红石相（95%质量分数），而纳米级以锐钛矿为主（88%）。每种粉末中均存在分形（fractal）和致密（compact）两种形貌，可通过气动特性进行原位分离。

光学行为解析

TiO₂颗粒在近红外（675-800nm）和紫外-可见光区（370-675nm）的光衰减呈现"尺寸反转效应"：微米颗粒在近红外的质量消光系数更高，而纳米颗粒在短波长区更具优势。有趣的是，分形结构的复杂几何形态会显著改变光散射模式，这种效应无法通过简单的物理参数组合来预测。

结论

本研究首次实现基于气动特性的TiO₂颗粒形貌原位分选，证实颗粒形状与尺寸共同调控光学响应：分形结构通过增加光程增强近红外吸收，而纳米级锐钛矿因量子限域效应在紫外区表现突出。该发现为设计智能防晒材料（如可见光透明/紫外屏蔽纳米TiO₂）和优化地球工程候选颗粒提供了新思路。