2019-05-17 09:50:40

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光触媒是一种以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称,它涂布于基材表面,在紫外光及可见光的作用下,产生强烈催化降解功能:能有效地降解空气中有毒有害气体;能有效杀灭多种细菌,并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理;同时还具备除甲醛、除臭、抗污、净化空气等功能。

基本信息

  • 中文名

    光触媒

  • 外文名

    Photocatalyst

  • 发明时间

    1967年

  • 发明地点

    日本东京

  • 发明人

    藤岛昭

  • 安全性

    对动物有生物毒性

折叠 编辑本段 研究发现

1967年,日本东京大学的本多建一教授和博士班学生藤岛昭发现,用光照射二氧化钛电极可进行水的电解反应。这就是著名的"本多作用的光催化反应,将空气中的水或氧气催化成氧化能力的羟基自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(O₂·)、活性氧(HO₂·,H₂O₂)等具有氧化能力的光生活性基团,这些光生活性基团的能量相当于3600K的高温,具有很强的氧化性。

这些强氧化性基团可强效分解各种具有不稳定化学键的有机化合物和部分无机物,并可破坏细菌的细胞膜和凝固病毒的蛋白质载体。

2015年4月,日本研发最新的光触媒净水技术,可望为全球28亿人解渴。日本松下公司正开发一种新型光触媒粒子,可望解决水不足问题。该粒子是由沸石粒子与二氧化钛微粒所构成,在紫外线照射下充分混合于污水中,可使污水净化成可饮用的程度。新型光触媒净水设备相当简便,且1天可净化高达3吨的水,可供应相当于印度20户家庭的每日用水,而净化每吨水所需费用约为500日元,约人民币26元。

2002年,光触媒传入中国。

此技术是将特殊光触媒粉末倒入污水中,照射紫外线即可分解水中有毒金属,净化成饮用水,此技术也可用于整治受污染河川,且对环境生态无害。

折叠 编辑本段 材料

光触媒材料主要有纳米TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2等,2000年以来又发现一些纳米贵金属(铂、铑、钯等)具有更好的光催化性能,但由于其中大多数易发生化学或光化学腐蚀,而贵金属成本则过高,都不适合作为家居净化空气用光催化剂。

纳米二氧化钛(TiO2)是一种半导体,主要有锐钛型(Anatase),金红石型(Rutile)及板钛型(Brookite)三种晶体结构,其中:板钛型晶体稳定性差,一般认为不具备光催化活性。

金红石型晶体具有比锐钛型晶体更强的光催化性能,耐候性和附着性也很好,纳米无机包覆稳定,市场价格高于锐钛型晶体。

纳米氧化锌(ZnO)粒径介于1-100 nm之间,是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品,表现出许多特殊的性质,如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等,利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能,可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。在橡胶、陶瓷、纺织、印染、国防工业领域具有广泛的应用。

纳米二氧化锆(ZrO₂)呈高纯度白色粉末状,无臭、无味。低温时为单斜晶系,高温时为四方晶型。具有高的折射率(折射率2.2)和耐高温性。有良好的热化学稳定性、高温导电性和较高的高温强度和韧性,具有良好的机械、热学、电学、光学性质。其中HT-ZrO-01为单斜晶型,HT-ZrO-02为四方晶型。纳米氧化锆颗粒尺寸微小、是很稳定的氧化物,具有耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐高温的性能,可用于功能陶瓷和结构陶瓷,以及宝石材料。

折叠 编辑本段 性能

一般科学意义上的光触媒是单质粉末状的,而进入市场大多是混合液态状的,这个必须要区别开来。

截至2013年,还没有用肉眼区分光触媒优劣的可靠方法,选择光触媒要谨记一点:

折叠 全面性

光触媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物,并具有高效广泛的消毒性能,能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。

折叠 持续性

在环境污染不严重的条件下,只要不磨损、不剥落,光触媒本身不会发生变化和损耗,在光的照射下可以持续不断的净化污染物,具有时间持久、持续作用的优点。

但如果环境污染比较严重时,一些硫酸根和硝酸根离子会影响光触媒的寿命和效果,会出现失活现象,可以通过相关技术工艺恢复活性。

折叠 安全性

研究者动物实验表明对实验动物的肝、肺、心脏、肾等器官有生物毒性。

纳米二氧化钛可能对人体有害 可通过下面途径进入人体:一、通过呼吸系统;二、通过皮肤接触;三、其他方式,如食用、注射之类。纳米材料污染物通过上述途径进入人体,与体内细胞起反应,会引起发炎、病变等;污染物在人体组织内停留也可能引起病变,如停留在肺部的石棉纤维会导致肺部纤维化 。

2018年1月24日,欧盟委员会(EC)消费者安全科学委员会(SCCS)发布文件,宣布对于二氧化钛(纳米形式)作为紫外线(UV)过滤组分的应用安全性研究结果依然存疑,在防晒和个人护理用喷雾型产品中用作紫外线过滤剂时,纳米钛白粉的安全性问题依然没有得到解决,SCCS警告说,对于市场上已有的含有纳米钛白粉的喷雾型产品,"这种使用需要仔细评估,以避免通过吸入消费者的肺部接触造成有害影响的可能性"。

2007年中国河北承德的一家印刷厂7名女工2名死亡的案例,引起了一场关于纳米疾病的探讨并引起了学界的广泛争论。

2007年1月到2008年4月间,一家印刷厂制版车间的7名女工因呼吸困难,陆续被送进朝阳医院治疗。经检查,患者心脏和肺部有严重的胸腔变色积液和胸膜异物肉芽肿。其中2人后因胸腔积液恶化,经抢救无效死于呼吸衰竭。经过治疗,另5名女工病情趋稳,但肺纤维化的过程无法逆转,尽管她们已停止工作。

为弄清病因,医生用电子显微镜对死者的肺部积液和组织切片进行观察,在肺部上皮细胞中发现了直径约30纳米的微小颗粒。随后的现场调查发现,制版车间内的粉尘和聚丙烯酸酯涂料中含有类似颗粒物。

尽管纳米颗粒对于人体的致病机制尚未有明确报道,但已有动物实验提示,纳米颗粒能直接对生物体造成损伤。因此,女工们罹患的更像是一种"纳米物质相关疾病"。

折叠 编辑本段 特征

折叠 光波吸收

以市面最多的光触媒纳米二氧化钛为例:

纯净的纳米二氧化钛粉末,只能吸收400nm以下的紫外光,在自然环境下,紫外光占有比例较低,不足自然光的10%,因而纯净的纳米二氧化钛基本没有光触媒的功效。

所以,为使二氧化钛可以吸收可见光,甚至吸收远红外光,必须采用特殊材料的配制掺杂技术。

比如采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、半导体复合等多种方法,对光触媒进行可见光诱导。二〇〇〇年以来,还发现纳米贵金属(铂、铑、钯等)与光触媒材料进行配位螯合后,会极大提高光生载流子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合,从而进一步拓宽了二氧化钛的光波吸收范围,这些纳米贵金属也被称为"光触媒的维生素"。日本汽车尾气净化装置已大量使用纳米贵金属制成的催化剂。

纯净光触媒技术只能在紫外光下作用,这已经是二〇〇〇年前的技术了。21世纪国际光触媒技术的发展方向是化学配位键螯合功能元素掺杂技术,使用这种技术可以极大增强光触媒材料的光催化协同效应,从而可以吸收可见光,甚至可以吸收远红外光。

2003年,中国首先发明远红外光触媒技术,标志着在光触媒的光波吸收技术上,已经超出世界水平。【见中国化工信息中心《查新报告(2003-021)》】

折叠 耐候性

光触媒产品经受气候的考验,如物理磨损、冷热、自身晶格缺陷等造成的综合破坏,其耐受能力叫耐候性。

纯净的光触媒粉末不具有实用性,很简单,风一吹就没了,所以必须做成粘合型的溶液,而且溶液干燥后会吸附在各类家具表面,不容易磨损及掉落。要实现这个性能,不添加黏合剂是做不到的,所以不含黏合剂的光触媒溶液产品要么是炒作,要么就是干燥后会大量掉落。

纯净光触媒在光照射下,除了能发生光催化反应外,还会发生光化学活性反应,这种光化学活性反应是由光触媒内在晶格缺陷引起的,这种反应会释放新生态氧[O],新生态氧通过物质迁移,与光触媒本身及家具表面材料进行反应,会导致物质有机聚合物氧化、降解,最终造成涂膜的粉化和失光,缩短其使用寿命,造成家具表面失色或斑驳。所以,必须要对光触媒进行特殊工艺的无机包覆,从根本上解决光触媒的光化学活性反应问题。

  • 由上两条可知,将光触媒产品是否纯净,是否含有分散剂作为评价光触媒性能是否优劣的标准是不科学的。
  • 纯净的光触媒只能吸收紫外光,可吸收可见光甚至远红外光的光触媒必然螯合了其他活性催化材料。

折叠 有效浓度

光触媒本身是一种催化剂,不直接参与降解反应,它通过吸收光能把水或氧气转化成强氧化活性基团,而强氧化活性基团使空气污染物降解,所以必须直接接触到水分子或氧分子。

因而,在浓度因素中,决定光触媒性能的是有效接触浓度,即可以与水或空气接触的光触媒浓度,而不是某一种产品的浓度。比如一块二氧化钛瓷砖,如果大量的二氧化钛被封闭在瓷砖内部,就算浓度再高,又有什么意义呢?

在喷涂产品中,有效接触浓度不仅与溶液中光触媒浓度有关,而且与喷涂工具、喷涂手法等现场工艺有关。另外,与产品附着性也直接相关,如果干燥后出现大量剥落,就算初始"浓度"再高,又有什么意义?

而且一般光催化反应都是多相光催化过程,反应过程都在界面发生。光催化反应效率由催化剂自身的量子效率和反应过程条件两个方面决定。光催化材料表面的微观结构也很重要,它直接影响了光催化反应的效率。好的光催化材料微观表面应该是粗糙的、凹凸不平的(以原子力显微镜微观结构照片为准就像遍布陨石坑的月球表面),这样可以增加捕捉甲醛、VOC等有机物气体分子的机率,产生纳米界面材料的二元协同效应进而增强降解净化能力。

折叠 纳米细度

根据不同光触媒材质不同而不同,一般认为,纳米细度大于50纳米的光触媒基本不具备光活性,30纳米以下较佳。纯净光触媒的纳米细度可以做到5纳米左右,但只能在紫外光条件下作用。螯合了活性催化元素的光触媒一般分子直径较大,因为螯合元素越多,直径自然越大,当然,螯合越多,光波吸收范围也越宽,螯合型光触媒产品的最佳纳米细度为8~10纳米。

一般情况下,在相同光波吸收范围下,光触媒纳米细度越小,催化性能越强,但纳米细度也不可能无限降低,一是细度越小,制作成本越高,性价比不高,二是光具有波粒二象性,当材料纳米细度少于一定程度后,会降低粒子性光能的吸收率,三是细度越小,后期越容易团聚。故优质光触媒一般纳米细度均为5~10纳米。

折叠 负氧离子

光触媒在进行光催化反应的时候,会产生超氧阴离子自由基(O₂·),伴生负氧离子。

但可以达到最佳的负氧离子释放功效的光触媒,必须是可吸收远红外光谱,只有这样,白天、晚上及无光的橱柜里,才可全天候释放负氧离子。

折叠 编辑本段 主要功能

光触媒(纳米除醛酶)作为新兴的空气净化产品,越来越多的应用于车内的空气净化,主要有以下功能:

空气净化

对甲醛、苯、氨气、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影响人类身体健康的有害有机物起到净化作用。

负氧离子

释放负氧离子,中科院理化技术研究所对国内某光触媒进行检测后发现,使用优质远红外光触媒喷涂100平米建筑面积的房间,相当于种了25棵白桦树的净化效果。

杀菌

对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有杀菌功效。在杀菌的同时还能分解由细菌死体上释放 出的有害复合物。

除臭

对香烟臭、厕所臭、垃圾臭、动物臭等具有除臭功效。

防污

防止油污、灰尘等产生。对浴室中的霉菌、水锈、便器的黄碱及铁锈和涂染面褪色等 现象同样具有防止其产生的功效。

净化

具有水污染的净化及水中有机有害物质的净化功能,且表面具有超亲水性,有防雾、易洗、易干的效能。

折叠 编辑本段 应用

折叠 纺织品

纺织品或多或少都含有微量的甲醛或者其它有害物质,经过光触媒处理后的纺织品不仅可以有效的降低甲醛等有害物质的含量,而且纺织品在使用过程中也容易清洗。

折叠 地板

传统地板精油只是养护地板的作用,而通过添加光触媒,制作成光触媒木质精油,实现了对地板保养的同时,还起到净化空气除甲醛的作用,尤其是地板见光性好,光触媒作用更强。

折叠 陶瓷卫浴

陶瓷、卫浴在给人们带来生活便利的同时,也附带产生了一个问题--卫生清洁,这是一直以来困扰了人们的问题,尤其是马桶,洗漱盆等,长期使用后都会产生一定的异味或者污垢,普通清洁有很难去除,在经过多年实践应用后,光触媒被很好的融合到了陶瓷、卫浴的生产工艺,通过在陶瓷表面负载一层光触媒,不仅易于清洁,而且还有助于分解异味,防止污垢附着,极大的提高了陶瓷产品的清洁容易度。

折叠 编辑本段 比较

品名类别

净化原理

净化效能

本身毒性

醋、橘皮、茶叶渣、空气清新剂等

以本身气味遮挡污染物的气味

无功效

反而会减弱人体呼吸系统对污染气体的应激性反应,从而吸入更多有害气体

醋与橘皮等无毒

空气清新剂低毒

植物

吸收,并体内少量分解

有效,但很微量,杯水车薪,对整个空间来说,几盆植物基本没什么作用。

而且植物有最低吸收值,即当污染物浓度降低到一定数值时,植物不会再吸收。甲醛最低吸收浓度大致是0.18mg/m³。

植物去除污染的效能不佳,但可作为室内污染的晴雨表,如植物发黄、枯萎,说明室内污染很严重。

无毒性

白天吸收二氧化碳,释放氧气;

晚上吸收少量氧气,释放二氧化碳

椰维炭、活性炭吸附,不能分解

吸附,但很微量,杯水车薪,对整个空间来说,基本没有作用。

吸附一定污染量后会饱和,晒太阳回复活性不科学,加热温度至少在150℃以上。

吸附饱和后,本身成为污染源
甲醛捕捉剂及甲醛清除剂中和或氧化分解

主要针对甲醛,可强效中和或分解甲醛,但对苯系物、TVOC等空气污染作用甚微

反应物反应结束后无作用

微毒

无二次污染

光触媒

氧化分解

对大多数空气污染有强效的分解作用

对大多数细菌、病毒有杀灭作用

作为催化剂,只要不脱落,可长效作用

无任何毒性

无二次污染

微生物分解代谢一切有机物都是微生物的食物,通过精心筛选培育的有益微生物和生物酶将空气中的有机物直接分解吸收,并通过新陈代谢转化成二氧化碳和水

纯天然无毒性

无二次污染

使用温度为15-40°,温度过高和过低时微生物活性降低

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