納米光催化技術

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

目前，研究最多的是硫族化物半導體材料，如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等。由於TiO2的化學穩定性高，耐光腐蝕，並且具有較深的價帶能級，可使一些吸熱的化學反應在被光輻射的TiO2表面得到實現和加速，加之TiO2；對人體無毒，因此尤以TiO2的光催化研究最為活躍。

基本介紹

• 中文名：納米光催化技術
• 外文名：nano-photocatalysis technique

納米TiO2光催化技術反應機理

TiO₂是一種N型半導體材料，其能帶結構是不連續的，通常情況下是由一個充滿電子的低能級價帶(VB)和一個空的高能級導帶(CB)構成，它們之間被禁帶隔開。TiO₂的禁頻寬度為3.2eV，當用能量大於或等於其禁頻寬度的人射光，也就是波長小於或等於387.5nm的光照射時，其價帶上的電子被激發，越過禁帶進入導帶產生高能電子(e-)和空穴(h+)，在電場的作用下，電子和空穴發生分離並分別遷移到TiO₂粒子表面的不同位置，與吸附在TiO₂表面的OH-、H₂O和O₂等發生一系列的反應產生高活性的·OH自由基，其可以與吸附在TiO₂粒子表面的有機物和部分無機物發生氧化還原反應，最終生成CO₂、H₂O和一些無害的無機離子。基本反應式如下：

在光致電子和空穴參與光催化反應的同時，二者之間也存在著複合的可能性，如果缺少適當的電子和空穴捕獲劑，儲備的能量在幾個納秒之內就會通過複合而消耗掉。納米TiO₂由於具有表面效應與界面效應，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，半導體光催化速率與物質在催化劑表面的吸附有關，隨著TiO₂晶粒尺寸的減小，比表面積增大，表面鍵態和電子態與顆粒內部不同，表面原子的配位不全導致表面活性位置增多，因而比常規TiO₂顆粒活性要高，有利於反應物的吸附，從而增大了反應機率。

光催化劑的製備

已建立了利用硫酸鈦、TICl₄和有機鈦酸酯為原料製備納米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或在氫氧焰中氣相水解獲得納米級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、化學氣相沉積法、電漿氣相沉積法、超聲物化—熱解法等多種催化劑置備方法，特別對納米粉體的製備方法的研究已經很成熟。國內已有多家公司可以批量生產TiO₂納米光催化劑，國外也有相應的高活性光催化劑商品銷售。

目前對製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，有關多孔和中孔薄膜光催化劑的研究是納米光催化劑走向實用的技術難點。

納米光催化技術的套用

（1）無機氣體的去除

二氧化硫和氮氧化物既是城市空氣中的主要污染物，也是室內燃料燃燒產生的主要污染物，氨則是某些混凝土添加劑（防凍液）釋放出來這些污染物對人體健康危害大，直接引起呼吸系統疾病。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）室內異味的去除

室內異味物質，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，製備出光催化空氣淨化器，能夠有效地去除硫化氫、氨等臭氣物質。利用粒子粒徑納米級的TiO₂作光催化劑，再用氫氧化鋅進行表面處理，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

室內空氣中的化學污染物以揮發性有機物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上具有獨到之處，如適用於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性有機污染物，包括許多難於用其他方法降解的污染物，最終達到無機化。已經通過光催化氧化分解室內空氣中典型的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的殺菌能力，以及對細菌的光譜性殺滅，幾乎可以殺滅所有的細菌，如大腸桿菌、綠膿菌、葡萄球菌、黴菌、化膿菌，白蘚菌等。對病毒也具有很強的殺滅能力。TiO₂超氧化能力破壞細胞的細胞膜使細胞組分流失造成細菌死亡；還可凝固病毒的蛋白質，抑制病毒活性達到滅活病毒的目的。利用納米光催化劑的這種光譜殺菌的特性，已研製了多種抗菌材料，如瓷磚、壁紙、陶瓷、塑膠、塗料等，廣泛套用於醫院、建材等行業。

（5）飲用水的消毒

隨著納米技術的發展和納米TiO2光催化技術研究的不斷深入，許多研究者進行了TiO2光催化技術在水消毒中的套用，發現TiO2光催化消毒技術與其他常用消毒技術相比具有許多優點：不需要價格昂貴的氧化劑，而且光催化劑本身無毒，價格低廉；激活催化劑的光源是長波長紫外線，比較接近於日光中紫外線的組成，因此幾乎不需要動力源；系統所產生的氧化劑具有很強的氧化性，沒有選擇性，可以殺滅大多數微生物和完全礦化包括三鹵甲烷(THMS)在內的大多數有機物。