神奇的光觸媒（一）

二十世紀七十年代開始，日益加劇的環境問題和能源危機嚴重製約著國家的發展與進步，能源問題已經引起了全球範圍的關注。民用、商業以及工業製造都 面臨著嚴峻的環境汙染問題，環境汙染問題已經成了國家和國際優先解決的問題。

為了人類的可持續發展，新能源材料的研發成了解決環境問題、能源危機的主要 研究方向。研究清潔能源、可持續發展能源、新型能源已經成為了能源供應的緊迫任務。

各種各樣的綠色能源和可持續能源技術高速發展的背景下，半導體光催化技術因為其自身的優勢，包括可直接利用太陽光、自清潔性以及常量豐富等優點已經成為了一種最有前景的綠色能源技術。

目前，去除室內有毒氣體主要的方式為活性炭吸附以及半導體光催化降解技術，而光催化技術由於具有工藝簡單、 能耗低、操作簡單、光催化降解效率高、無毒無二次汙染等優點，廣泛應用於環境水汙染處理、室內空氣汙染治理和工業廢氣處理等領域。光催化已經廣泛應用於催化水產氫、光催化降解有機汙染物、光電轉化等領域。

眾所周知催化劑是加快參與物發生反應的一種媒介。最常見的天然催化劑即植物中的葉綠素，可以在光照作用下發生光合作用，而本身並不參與反應。光觸媒即光催化劑，在有光存在下，可催化氧化有機物，而本身不發生消耗。

二氧化鈦是光觸媒材料中的一種，也是典型的代表，被認為是最有發展前景的光催化材料，為此，各國科學獎在上世紀60年代起即對其開展了各領域的應用研究。但二氧化鈦的能帶結構決定其吸光範圍，禁頻寬度 3。2eV，因此只有波長小於 387。5 nm 的紫外光才能被二氧化鈦吸收。並且，紫外光只佔太陽光的5%左右，利用率低，導致傳統的光觸媒材料光催化活性低，使用侷限性大。

因此，二氧化鈦的改性技術應運而生，改善二氧化鈦的物理化學性質，降低其禁頻寬度，提高其光催化效能是非常必要的。研究表明，透過對半導體材料形貌改變、貴金屬 沉積、摻雜、光敏化、表面修飾以及與其他半導體形成異質結等方式，可有效提 高二氧化鈦在可見光範圍的光光吸收，達到提高光催化效能的目的。叄素採用了還原石墨烯為載體的釩摻雜改性技術，大大降低了二氧化鈦的禁頻寬度，其光吸收波長已由原來的387。5nm移動到530nm以下，在可見光、弱光下也具有較強的催化氧化活性。光催化消除環境汙染的應用目前主要集中在幾個方面：

1。大氣中有機物的光降解

近年來空氣中有害物質的去除引起了人們的關注。由於大部分空氣汙染物 （如醛、酮、醇等）是可氧化的，因此用氧化法去除是可行的。去除空氣中汙染物常用的多相催化氧化法大都需要在較高溫度下進行，而光催化能在室溫下利用空氣中的水蒸氣和氧氣去除空氣汙染物。利用光觸媒噴液在光照條件下可將空氣中的有機物分解為二氧化鈦、水和相應的有機酸。

目前，國內外學者對烯烴、醇、酮、醛、芳香族化合物、有機酸、胺、有機複合 物、三氯乙烯等氣態有機物的Ti02光催化降解進行了研究，其量子效率（反應速率，入射光密度）是降解水溶液中同樣有機物的10倍以上。另外，在光觸媒噴液光催化反應中，一些芳香族化合物的光催化降解過程往往伴隨著各種中間產物的生成，有些中間產物具有相當大的毒性，從而使芳香族化合物不適於液相光催化反應過程，如水的淨化處理。但在氣相光催化反應中，只要生成的中間產物揮發性不大，就不會從光觸媒噴液表面脫離進入氣相，造成新的汙染，而是進一步氧化分解，最終生成二氧化碳和水。

2。 抗菌

光觸媒噴液光催化作用對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等有抑制繁殖和殺滅作用。當細菌吸附於光催化劑表面時，活性氧和羥基自由基能穿透細菌的細胞壁，進入菌體，阻止成膜物質的傳輸，阻斷其呼吸系統和電子傳輸系統，從而有效地殺滅細菌。

一般常用的殺菌劑銀、銅等能使細胞失去活性，但細菌被殺死後，可釋放出致熱 和有毒的組分如內毒素。而光觸媒光催化劑不僅能殺死細菌，而且同時降解由細菌釋放出的有毒複合物。即光觸媒光催化劑不僅能消減細菌的生命力，而且能攻擊細菌的外層細胞，穿透細胞膜，破壞細菌的細胞膜結構，從而徹底地殺滅細菌。對於抗青黴素的金黃色葡萄球菌，光觸媒存在條件下，熒光燈照射1小時後，其去除率可達99％以上。在醫院病房、 手術室及生活空間，細菌密集場所安放光觸媒光催化劑後，空氣中浮游的細菌數可降低90％左右。

3。光催化降解廢水用光觸媒噴液光催化處理含有機汙染物的廢水被認為是最有前途、最有效的處理手段之一，其方法簡單，在常溫常壓下，即可分解水中的有機汙染物，而且沒有二次 汙染。費用不高。至今已知，該方法能處理80餘種有毒化合物，可以將水中的滷代 脂肪烴、滷代芳烴、有機酸類、染料、硝基芳烴、取代苯胺、多環芳烴、雜環化合物、 烴類、酚類、表面活性劑、農藥、木材防腐劑和燃料油等，有效的進行光催化反應除 毒、脫色、礦化、分解為二氧化碳和水，最終消除對環境的汙染。 水中其他有機汙染物如滷代脂肪烴、滷代芳香烴、滷代脂肪酸、多環芳烴及雜環化合物、含氮化合物化等是各國優先控制的有害質，這類物質經光觸媒催化分解，過程中一般都先羥基化、再脫滷、逐步降解，直至成為含氫和氧等的簡單無機物。

4。空氣中氮氧化物以及氨的光催化去除

氮氧化物是大氣中主要的氣態汙染物之一．它的主要來源是礦物燃料的燃燒。燃燒過程中，在高溫情況下，空氣中的氮與氧化合而生成氮氧化物，其中主要的是一氧化氮。一氧化氮透過氧化反應也可以在大氣中生成氣態硝酸，形成酸雨和酸霧後，對地表水、土壤、森林、植被等造成嚴重的危害。利用光觸媒噴液和空氣中氧氣可直 接實現氮氧化物的光催化氧化。目前，日本已利用氟樹脂、光觸媒噴液等開發出抗剝離光催化薄板，12小時後薄板表面的氮氧化物去除率可達90％以上。

5。除臭

空氣中惡臭氣體主要有五種：①含硫化合物，如硫化氫、二氧化硫、硫醇類、硫醚類等；②含氮化合物，如胺類、醯胺等；③鹵素及其衍生物，如氯氣、鹵代烴等；④烴類，如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等；⑤含氧的有機物，如醇、酚醛、酮、有機酸等。