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光触媒的发展与应用
来源:未知  发布时间:2021-04-10 13:58:34
  一. 什么是光触媒(Photocatalyst)
  光触媒是在日本诞生的基础技术。
  顾名思义,它是与光一起产生催化作用的物质,在反应过程中它的本身不会被分解或者改变。例如植物的光合作用就是很好的例子,叶绿素就是天然的光触媒,在光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。
  世界上作为光触媒的材料众多,包括二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2),其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强,化学性质稳定无毒,成为世界上最当红的纳米光触媒材料。二氧化钛是一种半导体,分别具有锐钛矿(Anatase),金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构,其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光触媒特性。
  二氧化钛光触媒于1967年被发现。当时还是研究生的东京大学藤岛昭教授在一次试验中对放入水中的二氧化钛(Titanium Dioxide[TiO2])单结晶进行了光线照射,结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“本多·藤岛效果”而闻名于世,该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京工艺大学校长本多健一的名字。由于是借助光的力量促进氧化分解反应,因此后来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。如此发现的现象与植物光合作用极为类似。此后,人类继续探索比TiO2更具太阳能吸收能力的的半导体,迄今没有发现。
  二. TiO2光触媒的原理
  TiO2光触媒反应原理图
  通过紫外线或太阳光的照射,使光触媒表面的电子吸收足够能量而脱离,在电子脱离的位置便形成带正电的空穴(Hole),空穴会将附近水分子游离出的氢氧基(OH-)氧化(即夺取其电子),使其成为活性极大的氢氧自由基(OH- Radical)。氢氧自由基一旦遇上有机物,便会将电子夺回,有机物分子因键结的溃散而分崩离析。一般的污染物或者病原体多半是碳水化合物,分解后大部分变成无害的水和二氧化碳。
  要使二氧化钛的电子由价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)并脱离材料,外来的光源必须提供电子足够的能量以跨越能隙(Band gap)。光源的能量E与波长λ(Lambda)与之具有反比关系。
  其中h是普朗克常数(Planck Constant),C是光速(300000Km/s)。二氧化钛能隙的宽度为3.2eV。对应的波长为380nm,正是紫外光段。能量低于3.2ev的光源是无法使二氧化钛发挥光触媒功能的。
  二氧化钛电子受激跃迁示意图
  为了扩大光触媒的应用范围,现在日本已经成功开发出可见光(380-790nm)范围下适用的光触媒材料。另一方面,应用纳米科技将二氧化钛制成纳米级颗粒,则可通过大幅度增加表面积与体积的比例,提高光触媒的效率。
  三. 光触媒的功能
  光触媒五大功能
  1. 抗菌(Anti-Bacteria)
  二氧化钛可以镀在玻璃,壁纸或瓷砖及其他材料上,当二氧化钛吸收足够的光能以后便可产生氢氧自由基,氢氧自由离子基会破坏细菌之细胞膜,使细胞质流失,进而将细胞核氧化而杀死细菌;凝固病毒蛋白质,抑止病毒活性。因而吸附材料表面的细菌或者病毒便可被杀死。光触媒水溶液超强的氧化能力,能造成细菌死亡,并且捕捉、消灭空气中的浮游细菌,可分解空气中过敏原、减少过敏性疾病及气喘。经由 (美国)食品及药物管理局(Food and Drug Administration[FDA])认可TiO2为安全物质,对人体无害。
  光触媒杀菌效果参考
  试验菌名
  /
  原始菌数 365mn波长光线照射 一般日光灯照射
  60分钟细菌残留〈CFU〉 灭菌率 60分钟细菌残留〈CFU〉 灭菌率
  多重抗药性金黄色葡萄球
  /1.8*106CFU 0 100% 1.0*106 94.2%
  肺炎链球菌/3.8*105CFU 0 100% 3.23*104 91.5%
  大肠杆菌/ 2.4*105CFU 4.8*102 99.8% 4.8*103 98%
  流感嗜血杆菌/1.3*106CFU 9.0*104 93.1% 1.6*105 87.6%
  多重抗药性绿脓杆菌 /4.3*105CFU 6.3*103 98.5% 4.26*104 90.1%
  2.水处理(Water Treatment)
  二氧化钛光触媒材料可以有效防止水污染,杀菌防藻。广泛用于鱼缸,游泳池,水杯,也可用于废水处理,港湾废油处理。亦可涂抹于船体表面防止海藻增生,防锈。
  3.防污(Dirtiness Prevention)
  二氧化钛光触媒材料可以有效的分解有机污染物。可以分解便斗中顽垢、尿石(日本TOTO公司已经量产光触媒卫浴设备);厨房中油污。由于纳米级二氧化钛材料的亲水性,可以有效破坏、分散水滴的形成,当玻璃遇水而同时接受光照时表面不结水滴,不结雾气,且干燥后不结水痕。当灰尘接触经过光触媒处理的表面时,只需以清水清洗便会因 TiO2 本身的亲水性与地心引力配合,灰尘会随清水一起脱落而无须另行清洗。(日本巨蛋玻璃顶棚的自洁能力也是经二氧化钛光触媒材料处理后形成的)
  4.除臭(Deodorization)
  二氧化钛比臭氧(O3)、负离子有着更强的氧化能力,可强力分解臭源。脱臭能力为活性炭除臭剂的150倍,比活性炭有更强的吸附能力。
  二氧化钛光触媒可以有效分解香烟燃烧中的致癌成分,如硫化氢、二氧化硫等,给拒吸二手烟的人一个健康的生活空间。
  二氧化钛亦可分解导致冰箱臭味和引起食物腐蚀的乙醛气体,用途广泛。
  5.大气净化(NOx Decomposition)
  光触媒材料可以分解空气中的有害物质,净化空气。分解引起大厦综合症的有毒气体甲醛,福尔马林。在光触媒的作用下微量甲醛(100ppm)可以迅速分解为二氧化碳。通常引起大厦综合症的甲醛浓度大致在1ppm以下,如此微量的甲醛几乎都会变成二氧化碳和水等无机物,从而创造出清新的空气环境。
  二氧化钛光触媒材料可以有效分解以下随着科技进步而进入我们生活的空气污染:
  1.自来水中的余氯臭味、有机物质产生的霉味,及水中氯与有机物结合生成的致癌物质(二氯甲烷)
  2.香烟燃烧产生的氨气(NH3)、乙醛(CH3CHO)及醋酸(CH3CHOH)等碳氢化合物。
  3.家具、壁纸、建材等产生的甲醛和福马林(防腐剂)等引起大厦综合症的有害气体。
  4.汽车及其他燃油交通工具因汽油未完全燃烧所产生的各类氮氧化合物(NOX)。(日本某高速公路路段路面铺设二氧化钛材料有效将氮氧化合物浓度降低70——80%)
  5.厕所中尿素与细菌产生的氨气(NH3)
  6.石化工业、塑胶加工臭味、蔬果腐败的气味(苯乙烯、乙烯、丙烯)。
  7.印刷加工、电子工厂、医院使用的有机溶剂挥发后产生的有害气体(甲苯、酒精、甲醇、戊酮、异戊酸等等)。
  8.水沟、排水道气味(甲硫酸、硫化氢等等)
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