世界范围内生态环保意识的不断加强及传统材料的日益匮乏，为抗菌材料的研究提供了社会背景和生态意义。复合纳米TiO2这类生态环保抗菌材料是当前研究的热点之一。它不仅可以解决TiO2的分散与固定化问题，而且通过载体的吸附作用可以在催化剂表面区域形成反应物的富集，促进传质过程，从而提高光催化反应的效率。 本文的研究内容主要包括三个部分：(1)金属掺杂玻璃基纳米TiO2膜的制备、合成、表征及评价；(2)通过含偶氮染料云母珠光颜料工业废水的光催化降解，探索玻璃基纳米TiO2膜的制备条件并对其光催化氧化性能进行评价；(3)改性TiO2膜的光催化灭菌研究。文中系统研究了制备玻璃基纳米TiO2膜的基础性问题；探索并优化在基材表面制备纳米TiO2膜的工艺条件；重点研究了主要因素影响玻璃基纳米TiO2晶体结构的规律；分析了掺杂合成的微观机制和界面、表面反应机理；利用TiO2光催化降解偶氮废水研究影响TiO2活性的制备条件；探讨了TiO2膜的光催化杀灭细菌机理；首次利用TEM对古菌光催化杀灭过程进行表征。分析了古菌的结构及光催化灭菌的反应历程。具体的研究内容如下： 一、玻璃基纳米TiO2晶体膜的制备、表征及性能 1.系统地考察了影响玻璃基纳米二氧化钛光催化活性的诸因素。重点研究了前躯体配比、干燥温度、煅烧温度、煅烧时间及镀膜次数等因素对玻璃基二氧化钛晶相结构及光催化活性的影响。 2.通过实验分析，采用溶胶-凝胶法制备出纯二氧化钛和掺铁、掺铈二氧化钛溶胶，镀膜于载玻片上，解决了以往纳米二氧化钛光催化剂难以回收的问题。 3.通过实验确定影响制备玻璃基纳米TiO2的因素主次顺序为：前驱体配比>煅烧温度>煅烧时间>溶胶反应温度。Ti(OC4H9)4： C2H5OH： HNO3： H2O=1：15：0.35：2；煅烧时间为2.0h；煅烧温度为450℃；溶胶反应温度为40℃。选择镀膜次数为2次。煅烧温度450℃是玻璃基材表面锐钛矿二氧化钛晶相最稳定的生成温度。 二、金属掺杂玻璃基纳米TiO2晶体膜的合成、表征及评价 1.为验证光催化材料扩大光谱可利用范围，研究了光激发源由紫外光延至可见光的可能性和效果。 2.采用XRD、UV-Vis、HRTEM等技术对玻璃基掺杂金属离子纳米TiO2光催化材料的晶体结构、分子结构、表面化学元素组成及化学状态、纳米TiO2晶体膜进行综合表征分析。 三、含偶氮染料云母珠光颜料工业废水的光催化降解 1.研究了一种反应速度快、降解脱色率高的催化降解工艺方法，使光催化研究取得了新的进展。 2.二氧化钛光催化降解偶氮染料的反应机理是：TiO2光催化氧化降解偶氮染料的过程是一个首先破坏C—O—C、C—C键，而后N=N双键断开的过程。 四、改性TiO2膜的光催化灭菌作用 1.针对改性TiO2膜的光催化灭菌效率进行了研究：以革兰氏阳性及阴性代表菌种和枯草芽孢杆菌为研究对象，利用电镜表征细菌细胞形态的变化情况，同时采用平板计数法评估改性TiO2膜的杀菌效果。研究结果表明，改性TiO2膜杀菌效率明显高于纯TiO2膜。如Fe3+掺杂使TiO2膜的大肠杆菌杀菌率由87.4％提高至95.8％，金黄葡萄球菌杀菌率由79.4％提高至88.3％，枯草芽孢杆菌杀菌率由80.4％提高至86.3％。Ce4+的掺杂使TiO2膜的大肠杆菌杀菌率由87.4％提高至92.7％，金黄葡萄球菌杀菌率由79.4％提高至94.3％，枯草芽孢杆菌杀菌率由80.4％提高至87.7％。由此可知，一定比例的金属掺杂可提高TiO2膜的杀菌效果。 2.首次对微生物三域中的古菌进行了光催化灭菌研究。采用365nm、310nm紫外线反应时间40分钟可杀死绝大多数古菌。含Fe3+—TiO2膜的杀菌作用优于纯TiO2膜，J7菌杀菌率由88.6％提高至94.5％，同等情况310nm紫外线杀菌率从90.7％提高至93.5％。同样含Ce4+—TiO2膜的杀菌作用优于纯TiO2膜，J7菌杀菌率由88.6％提高至95.3％，同等情况310nm杀菌率由88.7％提高至94.8％。 3.本文首次探讨了不同TiO2膜对古菌的光催化杀灭机理。在紫外线的照射下，TiO2生成·OH自由基和H2O2。依赖于细胞膜上独特的Na+—K+交换体系，J7嗜盐古菌能够在高盐环境下生存。古菌借助于该体系迅速外排Na+离子，从而使胞内Na+离子浓度维持在正常范围。在TiO2光催化剂与古菌反应时，外排的大量Na+离子可能会与Ti键产生相斥作用，使羟基自由基（·OH)与活性氧类物质通过破坏菌壁杀伤J7嗜盐古菌的效能下降。而H2O2的穿透性强，能够进入古菌细胞导致菌内蛋白质变性分解，DNA分子发生断裂。由此可知，TiO2主要是通过破坏古菌内部结构及导致K+离子的大量泄露致使古菌死亡。 4.目前，TiO2灭菌研究仅限于细菌域与真核生物域。本文首次利用透射电子显微镜(TEM)对古菌死亡过程进行了表征，填补了TiO2灭菌研究从未涉及古菌域的空白。同时通过探讨古菌的灭菌机理，为深入揭示古菌与其它两域生命形式之间的进化关系提供了新的思路。