白色的东西

日本马桶制造商东陶(Toto)以清洁著称，将二氧化钛(TiO₂)，并配有自动清洁厕所。如果从2016年拉斯维加斯消费电子展来看，这种“智能”马桶有一层光活性二氧化钛涂层，可以分解有机物，现在已经开始在美国和欧洲引起轰动。

虽然主要用作颜料，TiO₂由于它在紫外线照射下可以起到光催化剂的作用，它继续吸引着开发自清洁抗菌产品的研究人员。它的光催化历史始于20世纪70年代的日本，至今仍在继续发展，致力于创造更高效的染料敏化太阳能电池(DSSCs)。

1916年，美国尼亚加拉瀑布的钛颜料公司和挪威的泰坦公司开始商业化生产TiO₂颜料:用于油漆的颜料一个世纪过去了，它的主要应用仍然是作为颜料——在油漆、塑料和橡胶、纸张、墨水、化妆品和药品中。事实上，根据二氧化钛制造商协会(TDMA)的数据，全球每年生产的600万吨中，99%用于颜料。“作为颜料，TiO₂它是迄今为止所有白色材料中折射率最高的，这就是它的着色能力的原因，”英国斯托克顿的亨茨曼颜料和添加剂公司的全球技术研究员托尼·琼斯说。“没有什么可以替代它。”

二氧化钛经常出现在财经报纸的市场版面上，价格波动剧烈。就在2011年，这种材料的严重短缺使价格翻了一番。自那以后，供应增加到供过于求的程度，价格大幅下跌，导致该行业出现分拆和整合。

日剂量

您很可能会使用TiO₂从你早上挤牙膏管的那一刻起，到你悠闲地拿起一块口香糖、抹上防晒霜或吞下一片药片的时候，我们每天都在使用含维生素e的产品。

二氧化钛是无可替代的

使用这种无处不在的材料，健康问题也许是不可避免的。2006年，国际癌症研究机构根据一项啮齿动物研究的结果，将二氧化钛列为一种可能的人类致癌物(2B类)，“对人类致癌性的证据不足”。

2013年，法国食品、环境和职业健康与安全局(Anses)宣布打算评估TiO₂根据欧盟共同体滚动行动计划，会对健康构成威胁。

评估尚未开始，但可能导致欧盟范围内的风险管理措施，包括Reach(化学品注册、评估、授权和限制)立法下的授权。Anses最近还向欧洲化学品管理局(ECHA)提交了一份对TiO进行分类的提案₂1B类致癌物;ECHA将在公众咨询之前处理Anses的档案。

如果获得通过，这一分类可能会对工业产生严重影响，在消费者应用中可能会受到限制。TDMA“不同意基于Reach注册所开展的大量工作的提案”。这包括对15家二氧化钛制造厂的2万名工人进行数十年的流行病学研究。他们没有发现证据表明TiO₂对人体肺部有致癌作用。该协会“将在Anses提案公布后仔细审查，并向ECHA公众咨询提供详细的回应”。

尽管TiO₂二氧化钛纳米颗粒需要大于欧盟规定的100nm才能作为颜料，但一些研究人员和非政府组织已经对食品中可能存在的二氧化钛纳米颗粒提出了健康担忧。欧洲食品安全局目前正在重新评估TiO₂，作为食品成分E171，并于今年提交报告。

直觉

2015年由地球之友委托进行的一项研究报告发现了纳米尺寸的TiO₂包括糖果在内的14种常见食品中的颗粒。与此同时，由亚利桑那州立大学的杨宇领导的美国团队也声称在食品级TiO中发现了纳米颗粒₂样本。

同年，英国医学研究中心(MRC)的一项研究表明，TiO₂从饮食和药品中摄入的颗粒可以从肠道进入血液。8名健康的志愿者吞下了含有100毫克二氧化钛的胶囊。来自剑桥MRC的Elsie Widdowson实验室的一个团队随后使用暗场显微镜来识别血液中的颗粒。颗粒在摄入两小时后出现，在六小时后达到峰值。

“我们之前的研究表明，随着年龄的增长，这些颗粒会逐渐积聚在(肠道内)淋巴样斑块中，”他说乔纳森·鲍威尔他领导了这项研究。他怀疑，当一些颗粒被这些称为佩耶斑块的区域吸收时，其他颗粒进入了血液。

英国食品标准局(FSA)资助了一项类似的研究，该研究于2015年发表，表明人摄入后“很少有二氧化钛被胃肠道吸收”。牛津大学和巴克斯顿健康与安全实验室的研究人员给9名志愿者服用了三种不同剂量的二氧化钛，间隔至少四周。他们的研究结果表明，“没有证据表明纳米二氧化钛比微米大小的颗粒更容易被肠道吸收”。

在这一领域发表的人体研究很少，TiO的基线水平存在一些差异₂在样本中测量。例如，FSA研究中的样本显示了相对较高的TiO背景水平₂首席研究员凯特·琼斯承认，这可能是由于所使用的分析技术的限制。她说:“然而，消费者和环境来源仍然可能有大量的背景接触。”

为了帮助理解背景TiO的这种差异₂鲍威尔的团队目前正在英国和欧洲的8个不同实验室组织对人类血液样本进行循环研究。有些样品被秘密添加了一定量的TiO₂．

“没有人能够测量血液中的纳米颗粒，”解释说Sylvaine Bruggraber来自MRC。“这是我们已经开始用单粒子电感耦合等离子体质谱法做的事情。“MRC团队计划使用新技术进行人体研究，包括流式细胞术方法来分析TiO₂用人血。她说:“我们希望结合不同的技术来证明全血中的钛是否以纳米颗粒的形式存在。”

如果二氧化钛颜料中确实含有小于100nm的颗粒，那是无意的。Hunstman 's Jones解释说，考虑到粒子散射光的波长大约是其直径的两倍，要优化可见光散射就需要大约250nm的晶体尺寸。

然而，颗粒大小总是有分布的，工业界和学术界一直在努力寻找一种可靠的方法来表征纳米颗粒。琼斯说:“因为欧盟的纳米定义是基于一个数字百分比，你最终要做电子显微镜和计数晶体。”

当二氧化钛很薄时，你看不见它

防晒霜的情况略有不同。这些都需要“超细”的TiO₂纳米颗粒可最大限度地减少可见光散射和白色外观，同时最大限度地增加散射和紫外线吸收。在美国，食品和药物管理局已经限制了TiO₂使用。

对一些人来说，问题是纳米颗粒是否能穿透皮肤，因为它们有可能导致自由基的形成。大量研究表明情况并非如此，但最近挪威奥斯陆大学医院的一项小规模研究表明，纳米颗粒可以穿透皮肤，到达表皮中的“活细胞”。由伊莉斯·奈斯(Elise Naess)领导的研究小组现在呼吁对使用含有纳米颗粒的防晒霜的人类进行更大规模的现实模拟研究。

自洁

作为一种光催化材料，TiO₂在学术界广泛研究，应用包括水和空气净化，水分解和自清洁材料。将其暴露在紫外光下会使电子进入其传导带，留下一个“空穴”，移动到晶体表面，在那里它可以产生具有降解有机材料能力的高活性羟基自由基。

为了尽量减少二氧化钛在涂料中的光催化作用，颜料通常涂有含水氧化物二氧化硅或氧化铝。保罗·克里斯坦森来自纽卡斯尔大学化学工程与先进材料学院(School of Chemical Engineering and Advanced Materials)的他与亨斯迈(Huntsman)等公司合作多年，寻找监测涂料和聚合物在阳光下腐烂的方法。“如果你朝南看窗户，你会看到油漆碎片和粉末，这是由于TiO造成的₂采集太阳光谱中5%的紫外线。”

至少有四种商业窗户玻璃产品使用二氧化钛的光催化作用，包括2001年开发的Pilkington Activ。它们都有一层薄薄的二氧化钛涂层，以形成超亲水的表面，这使得雨水形成薄片，均匀地洗掉污垢。同时，在阳光和雨水的作用下，提高了TiO的光催化性能₂有助于降解表面污垢。

“总让我惊讶的是，二氧化钛被用作增白剂，它的不透明度是最高的，然而，当它非常薄的时候，你却看不见它，”他说伊万·帕金他已经发表了100篇关于这种材料的研究论文。

2015年，帕金的团队报告了一种使用二氧化钛作为支架材料的自清洁涂料。这一次，他们使用氟化聚合物制造了一种超疏水表面。“它不是在表面形成水层，而是在表面形成一个滚动的球。”帕金解释说:“这个球就像一个微型真空吸尘器，在滚动运动中拾取污垢、细菌和病毒，并将它们穿过表面完全清除。”

完成照片

20世纪60年代末，日本东京大学的藤岛明(Akira Fujishima)和本田研一(Kenichi Honda)发现了一种利用二氧化钛半导体电极和太阳能电解水的方法，由此产生了二氧化钛光催化技术。当研究结果发表在自然1972年，世界正处于石油危机之中₂光催化作为一种利用太阳能发电的方法，受到了全球的关注。

最终，石油危机过去了，TiO₂克里斯滕森说，部分原因是这种材料的量子效率不是那么好。他补充说:“那时就有了用二氧化钛来排毒的想法。”多年来，团队一直致力于使用TiO₂通过释放OH自由基来破坏污染物。然而，一旦催化剂完成了它的工作，去除它仍然是一个棘手的问题。

几乎所有染料敏化太阳能电池都使用二氧化钛

在1991年,Michael Gratzel瑞士洛桑联邦理工学院的同事发表了第一篇关于使用TiO的论文₂在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中传输电子。它们使用一层染料吸附在TiO上₂在电解质溶液中，夹在电极之间。染料层吸收阳光，激发电子，电子扩散到TiO₂薄膜到电极。

2013年，Grätzel的实验室在固态DSSCs方面取得了另一项重大突破，用空穴导电材料取代了液体电解质。DSSCs具有成本低、灵活可靠、透明度可选等独特优势。他们还依赖于相当丰富和廉价的材料。最近几个月，科学家们研究了不同的染料来源，包括从藻类、花朵、水果和树叶中提取的植物染料。“几乎每个DSSC都使用TiO₂-不是作为捕获层，而是为了促进电子传输，”帕金说。

但事实是，二氧化钛在利用阳光方面并不那么有效。掺杂其他元素提高了TiO的性能₂吸收:吸收可见的东西帕金说:“我们已经用磷、氮和硫做过了。”

他说:“我们研究的一个重要领域是使用二氧化钛和其他材料制造自清洁、自消毒的表面。”“如果我们将二氧化钛与氮和硫混合，它就会具有相当强的抗菌性能。”事实上，氮掺杂的光在可见光下就能工作，不需要阳光或紫外线就能工作。”

帕金说，水分解仍然是“目前最大的研究领域”之一。“问题是你需要有相当高的能量才能光激活TiO₂他补充道。掺杂TiO₂多层系统，或全新的系统都是当前的选择。即使在新的系统中，研究人员也将其作为防止光腐蚀的保护层。

看来TiO₂永远都有自己的角色。对帕金来说，二氧化钛是他最喜欢的材料，毫无疑问，它将一直是。

艾玛·戴维斯(Emma Davies)是一名科学作家，居住在英国Bishop 's Stortford