光觸媒（光催化）技術(shù)未來發(fā)展前景

　　光觸媒作為新興起來的環(huán)保行業(yè)，其未來發(fā)展前景有著廣闊的市場。

　　一、前言

　　納米技術(shù)的發(fā)現(xiàn)給特種涂料和功能性涂料的發(fā)展帶來了全新的變革。尤其是納米光催化技術(shù)的發(fā)展極大地促進了室內(nèi)與室外用具有空氣凈化功能涂料革新。納米光催化技術(shù)亦稱光觸媒技術(shù)發(fā)現(xiàn)于上世紀60年代后期，當時還是東京大學研究生的藤島昭在一次實驗中對放入水中的氧化鈦單結(jié)晶進行了光線照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水被分解成了氧和氫。這一效果作為“本多－藤島效果”而聞名于世。由于這是借助光的力量促進氧化分解反應，因此后來將這一現(xiàn)象中的氧化鈦稱作“光觸媒”。實際上，光觸媒是也是一類化學物質(zhì)，只是必須經(jīng)過一定的光源照射，才能促進化學反應的進行，與普通觸媒一樣，反應前后自身性質(zhì)不變。

　　作為光觸媒材料，首要的材料本身須有半導體特性，其價電帶和導電帶的能量差要適當，其次應具有較大的內(nèi)層空軌道，而納米材料正具有這樣的條件。幾乎所有的納米材料均是半導體性質(zhì)，在光照射下，電子被激發(fā)由價電帶躍遷至導電帶．所產(chǎn)生的電位能足以使水電解產(chǎn)生H2和O2。常見的半導體光觸媒材料有TiO2、ZnO、SnO2及CdS，其中TiO2因其強大的氧化還原能力、高化學穩(wěn)定性及無毒的特性，已是公認的最佳光觸媒材料。

　　1992年后，納米技術(shù)的發(fā)展及其對新型材料重要性認識，使人們開始重新重視這一光催化氧化分解效應。世界各國都投入了大量的人力和物力開展各類納米材料的制備與應用研究。由于納米TiO2光觸媒材料具有優(yōu)異的殺菌抗菌和降解有害氣體等效能而位于其首，用其制作的光觸媒噴液和光觸媒涂料已成為室內(nèi)環(huán)境治理的最行之有效的手段。用傳統(tǒng)的化學消毒劑對環(huán)境治理均存在二次毒性和刺激性問題，且持續(xù)性差。經(jīng)過近二十多年的研究與發(fā)展，此項技術(shù)的研究已經(jīng)取得很大進展，并在環(huán)境凈化方面得到應用。TiO2光催化技術(shù)在空氣凈化、環(huán)境抗菌與除臭等領(lǐng)域的應用，將改變環(huán)境凈化技術(shù)模式，產(chǎn)生一個全新的技術(shù)領(lǐng)域。我國光觸媒技術(shù)研究起步雖晚，但在光催化效能方面及其應用方面均具國際領(lǐng)先水平。

光觸媒（光催化）技術(shù)未來發(fā)展前景[除甲醛排名第一的品牌]圖1

　　二、光觸媒的作用機理及應用應注意的事項

　　光催化技術(shù)是指利用不同光源照射某些物質(zhì)使之具有催化反應功能的技術(shù)，故光催化技術(shù)又稱光觸媒技術(shù)。能在光作用下具有催化功能的物質(zhì)叫光觸媒或光催化劑；光源主要可以紫外光或含有紫外光的燈光、自然光和日光。目前應用最廣泛的光觸媒主要是TiO2，有可能作為實用的觸媒的還有ZnO和SiO2。納米光催化技術(shù)是利用納米技術(shù)將觸媒物質(zhì)如TiO2作成納米級范圍內(nèi)顆粒(5～10nm)，使之能適應更多的光源，發(fā)揮出更好的光催化效果；故把經(jīng)納米技術(shù)處理的光觸媒稱之為納米光觸媒或納米光催化劑。

　　1.光觸媒作用機理

　　TiO2之所以能成為一種綜合效果極優(yōu)的光觸媒，是由于其特有的能帶結(jié)構(gòu)所致。TiO2滿的價帶和空的導帶之間的禁帶寬度(金紅石型為3.0eV，銳鈦型為3.2eV)，當它吸收的光子能量大于禁帶寬度時，價帶中的電子就會被激發(fā)到導帶，在導帶形成高活性的電子(e－)，同時在價帶相應產(chǎn)生一個帶正電的空穴(h+)，即生成電子??空穴對。TiO2表面的空穴可與水分子或羥基吸附進而發(fā)生反應，生成具有極高反應活性的OH?自由基。OH?自由基具有402.8MJ／mol的反應能，高于有機化合物中的各類化學鍵能，因此可促進多數(shù)有機化合物發(fā)生氧化反應，并進一步氧化生成CO2和H2O。

　　2.納米TiO2光觸媒的特點

　　納米TiO2的激發(fā)態(tài)電子到達表面的時間比普通TiO2要短得多．摻雜的金屬或金屬氧化物可降低TiO2的禁帶能量，并且使生長的電子、空穴不容易復合。故具有較高的光催化反應活性，由于采用納米材料的比表面積很大(>140m2／g)，因而吸附能力也就相應較強。這就為光催化反應提供了大的活性表面，可與污染物更充分地接觸，將他們極大限度地吸附在粒子表面。TiO2對于污染物質(zhì)分解活性隨TiO2的結(jié)晶型、粒徑、制法變化很大。通常，平均粒徑小于20nm的超微粒子活性較高。究其原因，除反應場的表面積大以外，激起電子及電子穴的移動距離小，充分地發(fā)揮了其量子尺寸效果等也起到重要作用。因光觸媒活性化所須的300～400nm紫外線只占到達地表太陽能量的3～5％，因此去除大氣中的NO并不一定要有強紫外線，也就是說光觸媒只要獲得0.1mW/cm2的能量(這和陰天獲得的紫外線強度相等)，就能發(fā)揮其功效。

　　光觸媒作用主要特點有：(1)作用廣譜，在光觸媒反應過程中，不僅能破壞生物因子，也能破壞各種有機化學物質(zhì)；(2)在光觸媒反應過程中，二氧化鈦不參與反應，只起催化媒介作用，其本身并不隨時間延長而消耗，因此使用壽命持久；(3)經(jīng)過納米技術(shù)工藝處理的觸媒，可在含有微弱紫外線的燈光、自然光、陽光等多種光源下發(fā)揮作用；(4)完全無害，由于納米二氧化鈦本身不釋放出有害物質(zhì)且本身不參與反應，在反應過程中將所作用的物質(zhì)完全氧化成無害的二氧化碳和水等無害物質(zhì)，因此光觸媒作用對環(huán)境完全無害。

光觸媒（光催化）技術(shù)未來發(fā)展前景[除甲醛排名第一的品牌]圖2

　　3.光觸媒應用注意事項及光觸媒制備制作發(fā)展方向

　　納米TiO2光觸媒可以是不經(jīng)煅燒納米TiO2水分散體，也可是煅燒后具有固定晶型的粉末，前者可以用于水性涂料和噴液，后者則不僅用于各類涂料，還可以用于功能纖維、功能皮革及具有抗菌和空氣凈化功能的塑料制品。粉末狀納米TiO2，最好還是固定在基材上使用，因為粉末狀的TiO2在涂布、回收、洗凈等工序中易飛散、流失。例如，可通過燒結(jié)的方法將其做成顆粒或蜂窩狀。若以防污、抗菌為目的，可涂布TiO2制成比較薄的平滑膜。也可用合成樹脂固定，其中氟樹脂，硅氧基樹脂和化學穩(wěn)定性好，且不會降低光觸媒的作用，應用較多，但若是普通樹脂，則不可避免地會出現(xiàn)老化現(xiàn)象。雖然TiO2的氧化能力會波及基材，但只要中間夾上無機膜．即使對于塑料等有機膜也能適用。不過，為確保處理污染物質(zhì)的反應速度，常將TiO2固定在硬表面上，以得到比表面積大而厚的膜。例如，除去NO，固定在氟樹脂板、水泥硬化體及膠質(zhì)涂料上非常有效。因為它們均呈多孔質(zhì)構(gòu)造，有利于固定更多的TiO2。

　　納米TiO2光觸媒的抗菌殺菌及空氣凈化功能已逐漸為百姓所公認和共知，但納米TiO2光觸媒的制作須滿足以下方向只有這樣，才能拓寬納米TiO2光觸媒納米的使用范圍，服務于百姓，受益于萬家：

　　(1)如何有效拓寬納米TiO2光觸媒的最大催化效能

　　嚴格講金紅石型納米TiO2的光催化效能很差，主要用于提高聚酯纖維的抗紫外能力，只有銳鈦型納米TiO2才具優(yōu)異的光催化特性，因此目前所謂的納米TiO2光觸媒均知銳鈦性納米TiO2。

　　目前全世界生產(chǎn)及銷售納米TiO2光觸媒的廠家或公司很多，但真正具有較強的分解甲醛、三苯、有機污垢以及NO、NO2、SO2、及氨氣能力的并不多，其原因是：

　　①所制得的納米TiO2光觸媒的粒徑仍偏大，最好控制在20nm以下。

　　②所制得的納米TiO2光觸媒應在寬廣的波長范圍內(nèi)均具光致激發(fā)，即光響應波長要寬，在可見光或暗光下就可促使納米TiO2光觸媒具有光催化效能。有些廠家雖然可制得粒徑在20nm以下的納米TiO2光觸媒，但由于摻雜工藝及煅燒工藝的不完善，導致其需要的光響應能量高，這類產(chǎn)品只有在強紫外光下才具分解有機化合物的功能，但這類產(chǎn)品的抗菌殺菌功能不差，原因是毒菌經(jīng)過吸附很容易失去其活性，而常規(guī)的銳鈦鈦白也具這類效能，只是效能低而已。

　?、凵鲜鰞牲c是必須注意的首要問題，納米TiO2光觸媒的研發(fā)與生產(chǎn)還需考慮到如何最大限度地降低其對基材以及用其組成涂料的成膜物質(zhì)的氧化分解問題。

　　專業(yè)是研發(fā)生產(chǎn)及應用納米TiO2光觸媒最好的國家，但直至現(xiàn)在，也未見具有優(yōu)異空氣凈化功能的、以丙烯酸共聚物為成膜物質(zhì)的內(nèi)外墻涂料，究其原因，還是未能解決納米TiO2光觸媒在使用中對成膜物質(zhì)丙烯酸酯共聚物的破壞作用，和銳鈦型鈦白粉一樣，納米TiO2光觸媒因其為銳鈦型，很難用于外墻涂料或戶外使用的制品。

　　國內(nèi)在該方面已取得了較為突出的進展，廣州百悅光觸媒早在2003年就完成了納米TiO2光觸媒的開發(fā)、生產(chǎn)及應用研究，所制得的納米TiO2光觸媒粒徑均在5nm，經(jīng)有效的化學修飾法的納米TiO2光觸媒水膠體，其抗菌殺菌性能達到99.99％，分解甲醛的能力達到94.3％。

　　④如何納米TiO2光觸媒在丙烯酸乳膠漆的功效，仍是納米TiO2光觸媒須解決的另一項重要任務。

　　目前國內(nèi)已成功地解決了上述3個難題，但納米TiO2光觸媒用于乳膠漆中其效能，尤其是分解三苯的能力遠低于納米TiO2光觸媒組成的結(jié)構(gòu)型涂料或噴液，原因是制備乳膠漆過程中加入的納米TiO2大多被其他顏料所覆蓋，不因影響了吸附效率，同時也降低了光催化作用。而乳膠漆中加入納米材料的量是有極限的，由于納米的超表面效應及親水性，一旦納米材料加入超過6～8%，涂料就會出現(xiàn)膠化現(xiàn)象，從而失去流動性。因此靠提高納米TiO2光觸媒的用量仍是有限的，該問題的解決是一個綜合性的科學，須將納米材料的制備與成膜物質(zhì)的制備集于一體，通過表面張力差，進行自分層而達到自組裝目的。

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　　三、納米TiO2光觸媒在家裝中的應用進展

　　1.光觸媒空氣凈化器

　　1996年，專業(yè)大金工業(yè)公司開發(fā)了新型光觸媒空氣凈化器，該機具有抗菌除臭的能力，同年l0月開始出售。與原產(chǎn)品相比，價格約高出10％，抗菌效率提高10％，達到99.9％。除臭能力為原產(chǎn)品的l3倍，為活性炭的130倍。目前，市場上見到的光催化空氣凈化器雖然不同的機型內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，但其核心部件都包括一個由光催化劑載件和紫外光源組成的凈化單元和吸排風機。

　　工作時帶有污染物的氣體被風機吸入機內(nèi)穿過催化劑單元，空氣中的毒氣分子由被光照的催化劑單元氧化分解成無毒物，流出的無污染物的空氣再從凈化器里排放到室內(nèi)，房間的空氣經(jīng)過如此反復分批循環(huán)處理，將得到凈化。

　　2.新型抗菌熒光燈

　　日立制作所新開發(fā)了具有抗菌作用的新型熒光燈，并于1997年商品化。這種燈壽命長，節(jié)省能量，應用前景廣闊。該燈表面涂飾了TiO2光觸媒。能分解燈表面的油漬、空氣中的菌類異臭等，是目前熒光燈器的替代品。清掃時省力，且具有防止燈光發(fā)暗的效果。

　　3.抗菌保潔陶瓷

　　近年來，國內(nèi)陶瓷行業(yè)也開發(fā)出了具有抗菌效果的建筑衛(wèi)生陶瓷。將TiO2光觸媒溶膠通過提拉、旋轉(zhuǎn)、噴涂、涂抹等方法覆著在建筑瓷磚的表面，再經(jīng)過焙燒使之在瓷磚表面形成一層堅固的光催化劑膜。這種光催化瓷磚具有分解油污、殺菌滅菌等功能，可以用于廚房、衛(wèi)生間的墻面。專業(yè)食品分析中心的測試結(jié)果表明，抗菌性陶瓷制品上的細菌生存數(shù)還不到普通陶瓷制品的1％。這種抗菌效果能有效防止處于陰暗潮濕、不易清潔的衛(wèi)生潔具(如大、小便器)上的細菌繁殖和生長，并能防止尿液結(jié)垢及惡臭味的產(chǎn)生。最近的檢測還表明，砌于墻面的光催化瓷磚對室內(nèi)的有害有機氣體還具有一定的氧化分解作用。

　　4.光觸媒涂料

　　目前，國內(nèi)外就納米光催化涂料的研究報道很多。專業(yè)、美國等在這方面作了許多工作，有些技術(shù)已進入了實用化階段。國內(nèi)在近幾年也圍繞納米氧化鈦光催化劑開展了研究。

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　　目前，德國STO.AG公司已研制出凈化室內(nèi)空氣的涂料品種Stocblorclimason。通過TiO2和普通光源作用將有機物分解為H2O和CO2，可有效清除臭味、甲醛和氨。專業(yè)的DaiNipponToryo公司也開發(fā)了室內(nèi)應用的水性涂料NovocleanBio，由于含有特殊的樹脂，增強了表面的抗污性。價格約1000Yen／Kg，其市場定位于學校、商場和其他公共場所。松下建筑工業(yè)有限公司最近公開了一種具有在潮濕條件下吸附降解揮發(fā)性有機化合物功效的建筑材料，這種水基的乳液涂料通過TiO2負載在能夠調(diào)節(jié)濕度的無機粉末上來實現(xiàn)光催化功能。

　　備注：本文章采集于網(wǎng)絡

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