[科普中國]-納米光催化技術(shù)

也稱光觸媒技術(shù)，是將附著在有效介質(zhì)上的納米顆粒通過特定光源的照射，與周圍的水、空氣中的氧發(fā)生作用后產(chǎn)生具有極強(qiáng)的氧化，還原能力的“電子-空穴”對(duì)的一種技術(shù)。這種“電子-空穴”對(duì)能在室溫下將空氣或水中的有機(jī)污染物和部分無機(jī)污染物予以光解消除，將其直接分解成無害無味的物質(zhì)，并能破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，殺滅細(xì)菌，從而達(dá)到對(duì)污水、廢氣的處理和殺菌目的的技術(shù)。

目前，研究最多的是硫族化物半導(dǎo)體材料，如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等。由于TiO2的化學(xué)穩(wěn)定性高，耐光腐蝕，并且具有較深的價(jià)帶能級(jí)，可使一些吸熱的化學(xué)反應(yīng)在被光輻射的TiO2表面得到實(shí)現(xiàn)和加速，加之TiO2；對(duì)人體無毒，因此尤以TiO2的光催化研究最為活躍。1

納米TiO2光催化技術(shù)反應(yīng)機(jī)理TiO2是一種N型半導(dǎo)體材料，其能帶結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，通常情況下是由一個(gè)充滿電子的低能級(jí)價(jià)帶(VB)和一個(gè)空的高能級(jí)導(dǎo)帶(CB)構(gòu)成，它們之間被禁帶隔開。TiO2的禁帶寬度為3.2eV，當(dāng)用能量大于或等于其禁帶寬度的人射光，也就是波長小于或等于387.5nm的光照射時(shí)，其價(jià)帶上的電子被激發(fā)，越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶產(chǎn)生高能電子(e-)和空穴(h+)，在電場的作用下，電子和空穴發(fā)生分離并分別遷移到TiO2粒子表面的不同位置，與吸附在TiO2表面的OH-、H2O和O2等發(fā)生一系列的反應(yīng)產(chǎn)生高活性的·OH自由基，其可以與吸附在TiO2粒子表面的有機(jī)物和部分無機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終生成CO2、H2O和一些無害的無機(jī)離子?；痉磻?yīng)式如下：

在光致電子和空穴參與光催化反應(yīng)的同時(shí)，二者之間也存在著復(fù)合的可能性，如果缺少適當(dāng)?shù)碾娮雍涂昭ú东@劑，儲(chǔ)備的能量在幾個(gè)納秒之內(nèi)就會(huì)通過復(fù)合而消耗掉。納米TiO2由于具有表面效應(yīng)與界面效應(yīng)，表面原子迅速增加，光吸收效率增高，從而增加了表面光生載流子的濃度。另一方面，半導(dǎo)體光催化速率與物質(zhì)在催化劑表面的吸附有關(guān)，隨著TiO2晶粒尺寸的減小，比表面積增大，表面鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子的配位不全導(dǎo)致表面活性位置增多，因而比常規(guī)TiO2顆?；钚砸?，有利于反應(yīng)物的吸附，從而增大了反應(yīng)概率。2

光催化劑的制備已建立了利用硫酸鈦、TICl4和有機(jī)鈦酸酯為原料制備納米TiO2粉體和薄膜光催化劑的多種方法。

（1）氣相合成法

通過四氯化鈦與氧氣反應(yīng)或在氫氧焰中氣相水解獲得納米級(jí)TiO2。

（2）液相法

包括硫酸法和溶膠—凝膠法。

此外還有四氯化鈦水解、化學(xué)氣相沉積法、等離子體氣相沉積法、超聲物化—熱解法等多種催化劑置備方法，特別對(duì)納米粉體的制備方法的研究已經(jīng)很成熟。國內(nèi)已有多家公司可以批量生產(chǎn)TiO2納米光催化劑，國外也有相應(yīng)的高活性光催化劑商品銷售。

目前對(duì)制備薄膜光催化劑的研究，尤其是高比表面、高活性薄膜光催化劑的研究已成為了熱點(diǎn)，有關(guān)多孔和中孔薄膜光催化劑的研究是納米光催化劑走向?qū)嵱玫募夹g(shù)難點(diǎn)。3

納米光催化技術(shù)的應(yīng)用（1）無機(jī)氣體的去除

二氧化硫和氮氧化物既是城市空氣中的主要污染物，也是室內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的主要污染物，氨則是某些混凝土添加劑（防凍液）釋放出來這些污染物對(duì)人體健康危害大，直接引起呼吸系統(tǒng)疾病。光催化劑也能夠氧化空氣中較低濃度的二氧化硫、氮氧化物、硫化氫和氨。

（2）室內(nèi)異味的去除

室內(nèi)異味物質(zhì)，主要是一些含硫、氮的化合物，如硫醇、硫醚、胺類。其成分多種多樣，濃度極低，但散發(fā)的臭氣卻令人感到非常不舒適。將TiO2與臭氧或其他催化劑組合去除臭氣效果較好。將TiO2固定在活性炭纖維、蜂窩狀板材上，制備出光催化空氣凈化器，能夠有效地去除硫化氫、氨等臭氣物質(zhì)。利用粒子粒徑納米級(jí)的TiO2作光催化劑，再用氫氧化鋅進(jìn)行表面處理，吸附甲硫醇的能力獲得明顯的改善，在紫外線照射下發(fā)生光催化氧化分解甲硫醇的效率獲得大幅度提高。

（3）VOCs的去除

室內(nèi)空氣中的化學(xué)污染物以揮發(fā)性有機(jī)物VOCs為主。TiO2在紫外線照射下生成的空穴具有的氧化分解能力，比氯氣和臭氧都高，在清除VOCs上具有獨(dú)到之處，如適用于低濃度污染物的去除和多種污染物的去除等。光催化氧化能夠完全分解破壞揮發(fā)性有機(jī)污染物，包括許多難于用其他方法降解的污染物，最終達(dá)到無機(jī)化。已經(jīng)通過光催化氧化分解室內(nèi)空氣中典型的VOCs有：苯系物(苯、甲苯)，醛類(甲醛、乙醛)，醇類(甲醇、乙醇)，還有乙酸、苯酚、吡啶、丙酮、氯苯、氯甲烷等。

（4）微生物的去除

TiO2納米光催化劑具有很強(qiáng)的殺菌能力，以及對(duì)細(xì)菌的光譜性殺滅，幾乎可以殺滅所有的細(xì)菌，如大腸桿菌、綠膿菌、葡萄球菌、霉菌、化膿菌，白蘚菌等。對(duì)病毒也具有很強(qiáng)的殺滅能力。TiO2超氧化能力破壞細(xì)胞的細(xì)胞膜使細(xì)胞組分流失造成細(xì)菌死亡；還可凝固病毒的蛋白質(zhì)，抑制病毒活性達(dá)到滅活病毒的目的。利用納米光催化劑的這種光譜殺菌的特性，已研制了多種抗菌材料，如瓷磚、壁紙、陶瓷、塑料、涂料等，廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、建材等行業(yè)。3

（5）飲用水的消毒

隨著納米技術(shù)的發(fā)展和納米TiO2光催化技術(shù)研究的不斷深入，許多研究者進(jìn)行了TiO2光催化技術(shù)在水消毒中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)TiO2光催化消毒技術(shù)與其他常用消毒技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：不需要價(jià)格昂貴的氧化劑，而且光催化劑本身無毒，價(jià)格低廉；激活催化劑的光源是長波長紫外線，比較接近于日光中紫外線的組成，因此幾乎不需要?jiǎng)恿υ?；系統(tǒng)所產(chǎn)生的氧化劑具有很強(qiáng)的氧化性，沒有選擇性，可以殺滅大多數(shù)微生物和完全礦化包括三鹵甲烷(THMS)在內(nèi)的大多數(shù)有機(jī)物。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

吳俊文 - 博士 - 廈門大學(xué)