《納米材料光催化應(yīng)用》 2013年4月19日 馬坤
高科技的飛速發(fā)展對高效性能材料的要求越來越高，納米尺寸的合成會為開發(fā)高性能新材料和對現(xiàn)有材料的性能的改善提供一條新途徑。納米二氧化鈦是近年來發(fā)展起來的一種新型高性能材料，其粒徑尺寸在1~100nm，表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增大而使其具有塊狀材料所不具備的量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)。與常規(guī)材料相比，納米二氧化鈦(JR05)具有比表大、磁性強、光吸收性好、表面活性大、熱導(dǎo)性好、分散性好等獨特的性能，同時還具有光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化效率高、氧化能力強、無毒、價格便宜等優(yōu)點，在化妝品、塑料、涂料、精細(xì)陶瓷、催化劑及環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。納米二氧化鈦的開發(fā)和利用就已受到人們的廣泛關(guān)注。
一、 光催化
1、光催化的定義
光催化是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，光催化是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換稱為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來產(chǎn)生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由負(fù)離子。
2、光催化材料種類
可用作光催化劑化合物，大多是具有半導(dǎo)體性質(zhì)的，如ZnO、WO3、CdS、Fe2O3、TiO2等，然而ZnO在水中不穩(wěn)定，會在粒子表面生成 Zn(OH)2;WO3對人體的眼睛、皮膚有刺激性，低毒，會危害人們的健康;CdS金屬硫化物在水溶液中不穩(wěn)定，會發(fā)生光腐蝕，且有毒;Fe2O3鐵的氧化物也會發(fā)生光腐蝕;TiO2因其氧化能力強，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒且與人體相容性好，成為上當(dāng)紅的納米光觸媒材料。
3、光催化的發(fā)展
●1972年，日本的Fujishima在半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光催化分解作用，從而開辟了半導(dǎo)體光催化這一新的領(lǐng)域。
●1976年，J.H.cary報道了TiO2水體系在光照條件下可以非選擇性的氧化各類有機物，使之徹底氧化為水(H2O)和二氧化碳(CO2)。
●從70年代末開始，利用半導(dǎo)體光催化氧化劑處理各類廢水研究有大量的報道，光催化技術(shù)再環(huán)保、衛(wèi)生保健、有機合成等方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，半導(dǎo)體光催化成為國際上催活躍的研究領(lǐng)域之一。
4、光催化反應(yīng)機理
當(dāng)半導(dǎo)體TiO2納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子-空穴，導(dǎo)帶電子具有強還原性，價帶空穴具有氧化性，空穴與TiO2粒子表面的OH-反應(yīng)生成氧化性很高的OH自由基，活潑的OH自由基可以把許多難解的有機物氧化為水(H2O)和二氧化碳(CO2)等無機物。
二、 納米二氧化鈦(JR05)光催化的應(yīng)用
1、納米二氧化鈦(JR05)光催化殺菌
隨著生活水平的提高，人們對工作和生活環(huán)境的衛(wèi)生日益重視。一般殺蟲劑能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素，因此各種環(huán)保型的抗菌功能材料應(yīng)運而生，并獲得了迅速的發(fā)展。利用納米二氧化鈦光催化產(chǎn)生的光生電子與光生空穴與催化劑表面吸附的O2或OH形成具有強氧化性的超氧離子或活性羥基，與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)菌內(nèi)組分進行生化反應(yīng)，徹底殺死細(xì)菌，同時還能降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物，防止內(nèi)毒素引起二次污染。
美國德克薩斯大學(xué)研究人員將大腸桿菌和納米二氧化鈦混合液在大于380nm的光線照射下，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌以一級反應(yīng)動力方程被迅速殺死。
添加約1%納米二氧化鈦的抗菌塑料，可廣泛應(yīng)用于食品包裝、電器、家具、餐具、公共設(shè)施等，以防止病菌的繁殖和交叉感染。
將單獨的納米二氧化鈦粉體作為食品抗菌保鮮劑，可以有效地對引起食品變質(zhì)的多種細(xì)菌起到殺滅和抑制繁殖的作用。做成由多孔二氧化硅(VK-SP30)所包腹的復(fù)合納米二氧化鈦/二氧化硅粒子，由于多孔二氧化硅(VK-SP30)對納米二氧化鈦粒子的緩釋作用，可以大大延長食品的保鮮時間。
2、納米二氧化鈦(JR05)光催化空氣凈化
隨著室內(nèi)建筑裝飾材料、家用化學(xué)物質(zhì)的使用，室內(nèi)空氣污染越來越受到人們的重視。目前已從室內(nèi)空氣中鑒定出幾百種有機物質(zhì)，對室內(nèi)主要污染物甲醛、等的研究結(jié)果表明，污染物的光降解與其濃度有關(guān)。質(zhì)量數(shù)為1X10-4以下的甲醛可完全被二氧化鈦(JR05)光催化分解為水(H2O)和二氧化碳(CO2)，而在較高濃度時則被氧化成甲酸。高濃度光催化降解時，由于生成的難分解的中間產(chǎn)物富集在二氧化鈦周圍，阻礙了光催化反應(yīng)的進行，去除效率非常低，但低濃度時很容易被氧化為水(H2O)和二氧化碳(CO2)。
對空氣中有機污染物的去除可采用在居室、辦公室的窗玻璃、墻面、地毯、沙發(fā)和櫥柜等污染源表面涂覆二氧化鈦(JR05)薄膜或在房間內(nèi)安放二氧化鈦光催化設(shè)備均可有效降解這些有機物，從而達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的目的。
二氧化鈦也可用于石油、化工等行業(yè)的工業(yè)廢氣的光催化降解。汽車摩托車尾氣及工業(yè)廢氣等都會向空氣中排放NOX、H2S、SO2等有害氣體，空氣中這些氣體成分濃度超標(biāo)會嚴(yán)重影響人體健康，利用二氧化鈦的高活性和空氣中的氧氣可直接實現(xiàn)這些物質(zhì)的光催化氧化。
3、納米二氧化鈦(JR05)光催化除臭
空氣中的惡臭氣體主要含有硫化物(如H2S、SO2、硫醇、硫醚等)、含氮化合物(如胺類、酰胺等)、鹵素及其衍生物(如Cl2、鹵代烴等)。今年來采用二氧化鈦光催化劑和其他吸附劑組成的混合物除臭已經(jīng)得到實際應(yīng)用。氣體吸附劑吸附的這些臭氣經(jīng)擴散與二氧化鈦接觸，二氧化鈦將氣體氧化分解后既不降低吸附劑的吸附活性，又解決二氧化鈦對臭氣吸附性較差的缺點，大大提高了臭氣的光解效率。
目前日本三菱制紙公司利用二氧化鈦和無機粘結(jié)劑復(fù)合開發(fā)的光催化薄板，對乙醛、甲硫醇、醚、硫化氫、氨、三等臭氣的良好去除性能，已經(jīng)得到證實。
4、納米二氧化鈦(JR05)光催化污水處理
日常生活廢水中含有大量的表面活性劑，這種廢水不但容易產(chǎn)生異味和泡沫，而且還會影響廢水的生化。表面活性劑不但很難降解，又是還會產(chǎn)生有毒或不溶解的中間體。研究證明，采用納米二氧化鈦(JR05)催化劑分解表面活性劑可以取得顯著效果。
印染廢水通常含有芳香基、胺基、偶氮基等致癌物質(zhì),采用一般生物化學(xué)法降解率通常很低。大量研究發(fā)現(xiàn),用納米二氧化鈦(JR05)光催化降解染料,不僅能有效破壞染料中的發(fā)色基,而且可以破壞染料分子中的芳香基,達(dá)到完全降解的目的。用納米二氧化鈦(JR05)為催化劑降解次甲基藍(lán)染料，研究結(jié)果表明，在光照30分鐘，二氧化鈦用量5.4mg/mL時，降解率達(dá)94.7%。
從垃圾堆場流出來的滲濾液可以滲透到地下,對地下水造成嚴(yán)重的污染,所以對垃圾堆放場滲濾液的污染處理是環(huán)境處理的一個重要方面。將納米TiO2用于垃圾填埋物滲濾液的深度處理,其處理的水質(zhì)達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。這說明用納米TiO2處理垃圾填埋物滲濾液是十分有效的。
5、納米二氧化鈦(JR05)光催化防污自潔
通常情況下，納米二氧化鈦涂膜表面與水有較大的接觸角，但經(jīng)紫外光照射后，一水的接觸角減小到5°以下，深圳可達(dá)到0°，即水滴完全浸潤在二氧化鈦表面，顯示非常強的親水性。當(dāng)水災(zāi)二氧化鈦薄膜表面的接觸角小于15°時具有高的水流動性，小于10°時有自清潔效果，小于7°時有防霉效果。同樣，油性液體如乙二醇、十六烷、三油酸甘油酯等經(jīng)紫外光照射后，也會完全浸潤在二氧化鈦涂膜表面。即納米二氧化鈦(JR05)表面具有水油兩親合性，屬“超雙親性界面材料”，采用這種材料處玻璃、瓷磚、農(nóng)用薄膜，具有防污自潔的效果。
鍍有納米二氧化鈦(JR05)薄膜的表面具有高度的自清潔效應(yīng)，一旦這些表面被油污等污染，因其表面具有超親水性，污物不易在其表面附著，而附著的污物也會因光催化而分解。陽光中的紫外線足以維持納米二氧化鈦薄膜表面的親水特性，從而使其表面具有長期的防污自清潔效應(yīng)。將其應(yīng)用于玻璃、陶瓷等見此，以及高層箭鏃的外墻及頂棚，利用太陽光、熒光燈中含有的紫外光作激發(fā)源，可以分解油、塵埃和沙粒，分解后的污垢物經(jīng)雨水沖刷可除掉，這樣不利于美化環(huán)境，也可減少因清掃帶來的不便和不安全因素。
三、 前景展望
二氧化鈦以其無可比擬的光催化性能，引起了國內(nèi)外材料、環(huán)境、化學(xué)、物理等學(xué)科科學(xué)家的廣泛關(guān)注，二氧化鈦光催化劑的可見光化研究，將為人類充分利用太陽能，改善人類生活環(huán)境邁出重要的一步。經(jīng)過各國科學(xué)家的共同努力，二氧化鈦可見光化研究雖然已經(jīng)取得了一定的進展，對二氧化鈦的各種改性方法或多或少都提高了太陽能的利用率。但從目前的研凝究成果看，可見光催化或能量轉(zhuǎn)換效率還普遍偏低，實現(xiàn)完因此可見光二氧化鈦光催化劑的研制仍將是今后的研究熱點。我國鈦資源儲量眾多，居之首，如果能夠利用豐富的鈦資源，生產(chǎn)出可見光催化劑，不僅對我國的經(jīng)濟發(fā)展有促進作用，而且可以改善我們的生存環(huán)境。
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