神奇的光触媒（一）

二十世纪七十年代开始，日益加剧的环境问题和能源危机严重制约着国家的发展与进步，能源问题已经引起了全球范围的关注。民用、商业以及工业制造都 面临着严峻的环境污染问题，环境污染问题已经成了国家和国际优先解决的问题。

为了人类的可持续发展，新能源材料的研发成了解决环境问题、能源危机的主要 研究方向。研究清洁能源、可持续发展能源、新型能源已经成为了能源供应的紧迫任务。

各种各样的绿色能源和可持续能源技术高速发展的背景下，半导体光催化技术因为其自身的优势，包括可直接利用太阳光、自清洁性以及常量丰富等优点已经成为了一种最有前景的绿色能源技术。

目前，去除室内有毒气体主要的方式为活性炭吸附以及半导体光催化降解技术，而光催化技术由于具有工艺简单、 能耗低、操作简单、光催化降解效率高、无毒无二次污染等优点,广泛应用于环境水污染处理、室内空气污染治理和工业废气处理等领域。光催化已经广泛应用于催化水产氢、光催化降解有机污染物、光电转化等领域。

众所周知催化剂是加快参与物发生反应的一种媒介。最常见的天然催化剂即植物中的叶绿素，可以在光照作用下发生光合作用，而本身并不参与反应。光触媒即光催化剂，在有光存在下，可催化氧化有机物，而本身不发生消耗。

二氧化钛是光触媒材料中的一种，也是典型的代表，被认为是最有发展前景的光催化材料，为此，各国科学奖在上世纪60年代起即对其开展了各领域的应用研究。但二氧化钛的能带结构决定其吸光范围，禁带宽度 3.2eV,因此只有波长小于 387.5 nm 的紫外光才能被二氧化钛吸收。并且，紫外光只占太阳光的5%左右，利用率低，导致传统的光触媒材料光催化活性低，使用局限性大。

因此，二氧化钛的改性技术应运而生，改善二氧化钛的物理化学性质，降低其禁带宽度，提高其光催化性能是非常必要的。研究表明，通过对半导体材料形貌改变、贵金属 沉积、掺杂、光敏化、表面修饰以及与其他半导体形成异质结等方式，可有效提 高二氧化钛在可见光范围的光光吸收，达到提高光催化性能的目的。叁素采用了还原石墨烯为载体的钒掺杂改性技术，大大降低了二氧化钛的禁带宽度，其光吸收波长已由原来的387.5nm移动到530nm以下，在可见光、弱光下也具有较强的催化氧化活性。光催化消除环境污染的应用目前主要集中在几个方面：

1.大气中有机物的光降解

近年来空气中有害物质的去除引起了人们的关注。由于大部分空气污染物 (如醛、酮、醇等)是可氧化的，因此用氧化法去除是可行的。去除空气中污染物常用的多相催化氧化法大都需要在较高温度下进行，而光催化能在室温下利用空气中的水蒸气和氧气去除空气污染物。利用光触媒喷液在光照条件下可将空气中的有机物分解为二氧化钛、水和相应的有机酸。

目前，国内外学者对烯烃、醇、酮、醛、芳香族化合物、有机酸、胺、有机复合 物、三氯乙烯等气态有机物的Ti02光催化降解进行了研究，其量子效率(反应速率，入射光密度)是降解水溶液中同样有机物的10倍以上。另外，在光触媒喷液光催化反应中，一些芳香族化合物的光催化降解过程往往伴随着各种中间产物的生成，有些中间产物具有相当大的毒性，从而使芳香族化合物不适于液相光催化反应过程，如水的净化处理。但在气相光催化反应中，只要生成的中间产物挥发性不大，就不会从光触媒喷液表面脱离进入气相，造成新的污染，而是进一步氧化分解，最终生成二氧化碳和水。

2. 抗菌

光触媒喷液光催化作用对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌等有抑制繁殖和杀灭作用。当细菌吸附于光催化剂表面时，活性氧和羟基自由基能穿透细菌的细胞壁，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌。

一般常用的杀菌剂银、铜等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热 和有毒的组分如内毒素。而光触媒光催化剂不仅能杀死细菌，而且同时降解由细菌释放出的有毒复合物。即光触媒光催化剂不仅能消减细菌的生命力，而且能攻击细菌的外层细胞，穿透细胞膜，破坏细菌的细胞膜结构，从而彻底地杀灭细菌。对于抗青霉素的金黄色葡萄球菌，光触媒存在条件下，荧光灯照射1小时后，其去除率可达99％以上。在医院病房、 手术室及生活空间，细菌密集场所安放光触媒光催化剂后，空气中浮游的细菌数可降低90％左右。

3.光催化降解废水

用光触媒喷液光催化处理含有机污染物的废水被认为是最有前途、最有效的处理手段之一，其方法简单，在常温常压下，即可分解水中的有机污染物，而且没有二次 污染。费用不高。至今已知，该方法能处理80余种有毒化合物，可以将水中的卤代 脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、 烃类、酚类、表面活性剂、农药、木材防腐剂和燃料油等，有效的进行光催化反应除 毒、脱色、矿化、分解为二氧化碳和水，最终消除对环境的污染。 水中其他有机污染物如卤代脂肪烃、卤代芳香烃、卤代脂肪酸、多环芳烃及杂环化合物、含氮化合物化等是各国优先控制的有害质，这类物质经光触媒催化分解，过程中一般都先羟基化、再脱卤、逐步降解，直至成为含氢和氧等的简单无机物。

4.空气中氮氧化物以及氨的光催化去除

氮氧化物是大气中主要的气态污染物之一．它的主要来源是矿物燃料的燃烧。燃烧过程中，在高温情况下，空气中的氮与氧化合而生成氮氧化物，其中主要的是一氧化氮。一氧化氮通过氧化反应也可以在大气中生成气态硝酸，形成酸雨和酸雾后，对地表水、土壤、森林、植被等造成严重的危害。利用光触媒喷液和空气中氧气可直 接实现氮氧化物的光催化氧化。目前，日本已利用氟树脂、光触媒喷液等开发出抗剥离光催化薄板，12小时后薄板表面的氮氧化物去除率可达90％以上。

5.除臭

空气中恶臭气体主要有五种：①含硫化合物，如硫化氢、二氧化硫、硫醇类、硫醚类等；②含氮化合物，如胺类、酰胺等；③卤素及其衍生物，如氯气、卤代烃等；④烃类，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等；⑤含氧的有机物，如醇、酚醛、酮、有机酸等。

避免量子尺寸效应的前提下越小越好。

二氧化钛粒径越小，其比表面积越大，活性也越高。当然，当二氧化钛粒径小于7nm后，又会由于量子尺寸效应导致材料的禁带宽度变宽，从而影响对光的利用。

二氧化钛用于生产的p25，粒径是21nm左右。

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