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光觸媒系列一

發(fā)布日期：2023-3-28 16:10:10 【返回】【關(guān)閉窗口】

光觸媒是一種以納米級(jí)二氧化鈦為代表的具有光催化功能的光半導(dǎo)體材料的總稱，它涂布于基材表面，在紫外光及可見光的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)烈催化降解功能：能有效地降解空氣中有毒有害氣體；能有效殺滅多種細(xì)菌，并能將細(xì)菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理；同時(shí)還具備除甲醛、除臭、抗污、凈化空氣等功能。

中文名光觸媒外文名Photocatalyst發(fā)明時(shí)間1967年發(fā)明地點(diǎn)日本東京發(fā)明人藤島昭安全性對動(dòng)物有生物毒性
目錄
1 研究發(fā)現(xiàn)
2 材料
3 性能
▪ 全面性
▪ 持續(xù)性
4 特征
▪ 光波吸收
▪ 耐候性
▪ 有效濃度
▪ 納米細(xì)度
▪ 負(fù)氧離子
5 主要功能
6 應(yīng)用
▪ 紡織品
▪ 地板
▪ 陶瓷衛(wèi)浴

研究發(fā)現(xiàn)

1967年，日本東京大學(xué)的本多建一教授和博士班學(xué)生藤島昭發(fā)現(xiàn)，用光照射二氧化鈦電極可進(jìn)行水的電解反應(yīng)。這就是著名的“本多作用的光催化反應(yīng)，將空氣中的水或氧氣催化成氧化能力的羥基自由基（·OH）和超氧陰離子自由基（O₂·）、活性氧（HO₂·，H₂O₂）等具有氧化能力的光生活性基團(tuán)，這些光生活性基團(tuán)的能量相當(dāng)于3600K的高溫，具有很強(qiáng)的氧化性。
這些強(qiáng)氧化性基團(tuán)可強(qiáng)效分解各種具有不穩(wěn)定化學(xué)鍵的有機(jī)化合物和部分無機(jī)物，并可破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜和凝固病毒的蛋白質(zhì)載體。
2015年4月，日本研發(fā)最新的光觸媒凈水技術(shù)，可望為全球28億人解渴。日本松下公司正開發(fā)一種新型光觸媒粒子，可望解決水不足問題。該粒子是由沸石粒子與二氧化鈦微粒所構(gòu)成，在紫外線照射下充分混合于污水中，可使污水凈化成可飲用的程度。新型光觸媒凈水設(shè)備相當(dāng)簡便，且1天可凈化高達(dá)3噸的水，可供應(yīng)相當(dāng)于印度20戶家庭的每日用水，而凈化每噸水所需費(fèi)用約為500日元，約人民幣26元。
2002年，光觸媒傳入中國。
此技術(shù)是將特殊光觸媒粉末倒入污水中，照射紫外線即可分解水中有毒金屬，凈化成飲用水，此技術(shù)也可用于整治受污染河川，且對環(huán)境生態(tài)無害。

材料

光觸媒材料主要有納米TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2等，2000年以來又發(fā)現(xiàn)一些納米貴金屬（鉑、銠、鈀等）具有更好的光催化性能，但由于其中大多數(shù)易發(fā)生化學(xué)或光化學(xué)腐蝕，而貴金屬成本則過高，都不適合作為家居凈化空氣用光催化劑。
納米二氧化鈦（TiO2）是一種半導(dǎo)體，主要有銳鈦型（Anatase），金紅石型（Rutile）及板鈦型（Brookite）三種晶體結(jié)構(gòu)，其中：板鈦型晶體穩(wěn)定性差，一般認(rèn)為不具備光催化活性。
金紅石型晶體具有比銳鈦型晶體更強(qiáng)的光催化性能，耐候性和附著性也很好，納米無機(jī)包覆穩(wěn)定，市場價(jià)格高于銳鈦型晶體。
納米氧化鋅（ZnO）粒徑介于1-100 nm之間，是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無機(jī)產(chǎn)品，表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)，如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等，利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。在橡膠、陶瓷、紡織、印染、國防工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
納米二氧化鋯（ZrO₂）呈高純度白色粉末狀，無臭、無味。低溫時(shí)為單斜晶系，高溫時(shí)為四方晶型。具有高的折射率（折射率2.2）和耐高溫性。有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性、高溫導(dǎo)電性和較高的高溫強(qiáng)度和韌性，具有良好的機(jī)械、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)。其中HT-ZrO-01為單斜晶型，HT-ZrO-02為四方晶型。納米氧化鋯顆粒尺寸微小、是很穩(wěn)定的氧化物，具有耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐高溫的性能，可用于功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷，以及寶石材料。

性能

全面性
光觸媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物，并具有高效廣泛的消毒性能，能將細(xì)菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。
持續(xù)性
在環(huán)境污染不嚴(yán)重的條件下，只要不磨損、不剝落，光觸媒本身不會(huì)發(fā)生變化和損耗，在光的照射下可以持續(xù)不斷的凈化污染物，具有時(shí)間持久、持續(xù)作用的優(yōu)點(diǎn)。
但如果環(huán)境污染比較嚴(yán)重時(shí)，一些硫酸根和硝酸根離子會(huì)影響光觸媒的壽命和效果，會(huì)出現(xiàn)失活現(xiàn)象，可以通過相關(guān)技術(shù)工藝恢復(fù)活性。

特征

光波吸收
純凈的納米二氧化鈦粉末，只能吸收400nm以下的紫外光，在自然環(huán)境下，紫外光占有比例較低，不足自然光的10%，因而純凈的納米二氧化鈦基本沒有光觸媒的功效。
所以，為使二氧化鈦可以吸收可見光，甚至吸收遠(yuǎn)紅外光，必須采用特殊材料的配制摻雜技術(shù)。
比如采用固相合成、過渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機(jī)絡(luò)合物、表面敏化、半導(dǎo)體復(fù)合等多種方法，對光觸媒進(jìn)行可見光誘導(dǎo)。2000年以來，還發(fā)現(xiàn)納米貴金屬（鉑、銠、鈀等）與光觸媒材料進(jìn)行配位螯合后，會(huì)極大提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新復(fù)合，從而進(jìn)一步拓寬了二氧化鈦的光波吸收范圍，這些納米貴金屬也被稱為“光觸媒的維生素”。日本汽車尾氣凈化裝置已大量使用納米貴金屬制成的催化劑。
純凈光觸媒技術(shù)只能在紫外光下作用，這已經(jīng)是2000年前的技術(shù)了。21世紀(jì)國際光觸媒技術(shù)的發(fā)展方向是化學(xué)配位鍵螯合功能元素?fù)诫s技術(shù)，使用這種技術(shù)可以極大增強(qiáng)光觸媒材料的光催化協(xié)同效應(yīng)，從而可以吸收可見光，甚至可以吸收遠(yuǎn)紅外光。
2003年，中國首先發(fā)明遠(yuǎn)紅外光觸媒技術(shù)，標(biāo)志著在光觸媒的光波吸收技術(shù)上，已經(jīng)超出世界水平。
耐候性
光觸媒產(chǎn)品經(jīng)受氣候的考驗(yàn)，如物理磨損、冷熱、自身晶格缺陷等造成的綜合破壞，其耐受能力叫耐候性。
純凈的光觸媒粉末不具有實(shí)用性，很簡單，風(fēng)一吹就沒了，所以必須做成粘合型的溶液，而且溶液干燥后會(huì)吸附在各類家具表面，不容易磨損及掉落。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)性能，不添加黏合劑是做不到的，所以不含黏合劑的光觸媒溶液產(chǎn)品要么是炒作，要么就是干燥后會(huì)大量掉落。
純凈光觸媒在光照射下，除了能發(fā)生光催化反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生光化學(xué)活性反應(yīng)，這種光化學(xué)活性反應(yīng)是由光觸媒內(nèi)在晶格缺陷引起的，這種反應(yīng)會(huì)釋放新生態(tài)氧[O]，新生態(tài)氧通過物質(zhì)遷移，與光觸媒本身及家具表面材料進(jìn)行反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)有機(jī)聚合物氧化、降解，最終造成涂膜的粉化和失光，縮短其使用壽命，造成家具表面失色或斑駁。所以，必須要對光觸媒進(jìn)行特殊工藝的無機(jī)包覆，從根本上解決光觸媒的光化學(xué)活性反應(yīng)問題。
由上兩條可知，將光觸媒產(chǎn)品是否純凈，是否含有分散劑作為評(píng)價(jià)光觸媒性能是否優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是不科學(xué)的。
純凈的光觸媒只能吸收紫外光，可吸收可見光甚至遠(yuǎn)紅外光的光觸媒必然螯合了其他活性催化材料。
有效濃度
光觸媒本身是一種催化劑，不直接參與降解反應(yīng)，它通過吸收光能把水或氧氣轉(zhuǎn)化成強(qiáng)氧化活性基團(tuán)，而強(qiáng)氧化活性基團(tuán)使空氣污染物降解，所以必須直接接觸到水分子或氧分子。
因而，在濃度因素中，決定光觸媒性能的是有效接觸濃度，即可以與水或空氣接觸的光觸媒濃度，而不是某一種產(chǎn)品的濃度。比如一塊二氧化鈦瓷磚，如果大量的二氧化鈦被封閉在瓷磚內(nèi)部，就算濃度再高，又有什么意義呢？
在噴涂產(chǎn)品中，有效接觸濃度不僅與溶液中光觸媒濃度有關(guān)，而且與噴涂工具、噴涂手法等現(xiàn)場工藝有關(guān)。另外，與產(chǎn)品附著性也直接相關(guān)，如果干燥后出現(xiàn)大量剝落，就算初始“濃度”再高，又有什么意義？
而且一般光催化反應(yīng)都是多相光催化過程，反應(yīng)過程都在界面發(fā)生。光催化反應(yīng)效率由催化劑自身的量子效率和反應(yīng)過程條件兩個(gè)方面決定。光催化材料表面的微觀結(jié)構(gòu)也很重要，它直接影響了光催化反應(yīng)的效率。好的光催化材料微觀表面應(yīng)該是粗糙的、凹凸不平的（以原子力顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)照片為準(zhǔn)就像遍布隕石坑的月球表面），這樣可以增加捕捉甲醛、VOC等有機(jī)物氣體分子的機(jī)率，產(chǎn)生納米界面材料的二元協(xié)同效應(yīng)進(jìn)而增強(qiáng)降解凈化能力。
納米細(xì)度
根據(jù)不同光觸媒材質(zhì)不同而不同，一般認(rèn)為，納米細(xì)度大于50納米的光觸媒基本不具備光活性，30納米以下較佳。純凈光觸媒的納米細(xì)度可以做到5納米左右，但只能在紫外光條件下作用。螯合了活性催化元素的光觸媒一般分子直徑較大，因?yàn)轵显卦蕉啵睆阶匀辉酱螅?dāng)然，螯合越多，光波吸收范圍也越寬，螯合型光觸媒產(chǎn)品的最佳納米細(xì)度為8~10納米。
一般情況下，在相同光波吸收范圍下，光觸媒納米細(xì)度越小，催化性能越強(qiáng)，但納米細(xì)度也不可能無限降低，一是細(xì)度越小，制作成本越高，性價(jià)比不高，二是光具有波粒二象性，當(dāng)材料納米細(xì)度少于一定程度后，會(huì)降低粒子性光能的吸收率，三是細(xì)度越小，后期越容易團(tuán)聚。故優(yōu)質(zhì)光觸媒一般納米細(xì)度均為5~10納米。

負(fù)氧離子
光觸媒在進(jìn)行光催化反應(yīng)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生超氧陰離子自由基（O₂·），伴生負(fù)氧離子。
但可以達(dá)到最佳的負(fù)氧離子釋放功效的光觸媒，必須是可吸收遠(yuǎn)紅外光譜，只有這樣，白天、晚上及無光的櫥柜里，才可全天候釋放負(fù)氧離子。

主要功能

光觸媒（納米除醛酶）作為新興的空氣凈化產(chǎn)品，越來越多的應(yīng)用于車內(nèi)的空氣凈化，主要有以下功能：
空氣凈化
對甲醛、苯、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影響人類身體健康的有害有機(jī)物起到凈化作用。
負(fù)氧離子
釋放負(fù)氧離子，中科院理化技術(shù)研究所對國內(nèi)某光觸媒進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，使用優(yōu)質(zhì)遠(yuǎn)紅外光觸媒噴涂100平米建筑面積的房間，相當(dāng)于種了25棵白樺樹的凈化效果。
殺菌
對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等具有殺菌功效。在殺菌的同時(shí)還能分解由細(xì)菌死體上釋放出的有害復(fù)合物。
除臭
對香煙臭、廁所臭、垃圾臭、動(dòng)物臭等具有除臭功效。
防污
防止油污、灰塵等產(chǎn)生。對浴室中的霉菌、水銹、便器的黃堿及鐵銹和涂染面褪色等現(xiàn)象同樣具有防止其產(chǎn)生的功效。
凈化
具有水污染的凈化及水中有機(jī)有害物質(zhì)的凈化功能，且表面具有超親水性，有防霧、易洗、易干的效能。

應(yīng)用

紡織品
紡織品或多或少都含有微量的甲醛或者其它有害物質(zhì)，經(jīng)過光觸媒處理后的紡織品不僅可以有效的降低甲醛等有害物質(zhì)的含量，而且紡織品在使用過程中也容易清洗。
地板
傳統(tǒng)地板精油只是養(yǎng)護(hù)地板的作用，而通過添加光觸媒，制作成光觸媒木質(zhì)精油，實(shí)現(xiàn)了對地板保養(yǎng)的同時(shí)，還起到凈化空氣除甲醛的作用，尤其是地板見光性好，光觸媒作用更強(qiáng)。
陶瓷衛(wèi)浴
陶瓷、衛(wèi)浴在給人們帶來生活便利的同時(shí)，也附帶產(chǎn)生了一個(gè)問題——衛(wèi)生清潔，這是一直以來困擾了人們的問題，尤其是馬桶，洗漱盆等，長期使用后都會(huì)產(chǎn)生一定的異味或者污垢，普通清潔有很難去除，在經(jīng)過多年實(shí)踐應(yīng)用后，光觸媒被很好的融合到了陶瓷、衛(wèi)浴的生產(chǎn)工藝，通過在陶瓷表面負(fù)載一層光觸媒，不僅易于清潔，而且還有助于分解異味，防止污垢附著，極大的提高了陶瓷產(chǎn)品的清潔容易度。

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