光触媒技术

化学科术语

光触媒技术是1967年东京大学的教授本多建一教授跟当时的研究生藤岛昭偶然发现在紫外线的照射下，二氧化钛电极可以将水分解成氢气与氧气。1972在英国的《科学》杂志上共同发表光触媒效应论文，光触媒技术由此产生。

发明时间

2015年，日本研发先端光触媒净化技术，从火山矿石中提取铂光素，加入光触媒液体中，引起的内能量发光可以激发光触媒，使空气中的水或氧气离子活跃，不需要外光源补充就能持续氧化分解，并且释放矿物质负离子。

技术定义

纳米材料在光的照射下，把光能转变成化学能，促进有机物的合成或使有机物降解的过程就是光触媒技术。这一过程也叫做光催化，所以光触媒技术又叫做光催化技术。

技术原理

纳米光触媒在光照射下，价带电子被激发到导带，形成了电子和空穴，与吸附于其表面的O2和H2O作用，生成超氧化物阴离子自由基，O2-和羟基自由基-OH，其自由基具有很强的氧化分解能力，能破坏有机物中的C-C键、C-H键、C-N键、C-O键、O-H键、N-H键，分解有机物为二氧化碳与水；同时破坏细菌的细胞膜固化病毒的蛋白质，改变细菌，病毒的生存环境从而杀死细菌、病毒。

生产技术

光触媒液其主要成分是纳米二氧化钛，制备二氧化钛的方法有：

沉淀法、溶胶凝胶法、W/O微乳液法、气相反应法

均匀沉淀法：以H2SO4法制备钛白粉中的中间产物---钛液为原料，外加金红石型二氧化钛晶种为

促进剂，以十二烷基磺酸钠表面活性剂、尿素为沉淀剂，制备出纳米金红石型二氧化钛分子

溶胶凝胶法：纳米二氧化钛合成一般以钛醇盐Ti (OR) 4 (R= -C2H5, -C3H7, -C4H9)为原料，其主要步骤是：钛醇盐溶于溶剂中形成均相溶液，以保证钛醇盐的水解反应在分子均匀的水解平上进行，由于钛醇盐在水中的溶解度不大，一般选用小分子醇（乙醇、丙醇、丁醇等）作为溶剂，钛醇盐与水发生水解反应，同时发生失水和失醇缩聚反应，生成物聚集形成溶胶，经陈化，溶胶形成三维网络而形成凝胶，干燥凝胶以除去残余水分，有机基团和有机溶胶和水，得到纳米二氧化钛粉体。

当无水乙醇为溶剂制备纳米TiO2时，根据现在有研究结果，典型的试剂配比为：

Ti (OC4H9)4：C2H5OH：H2O = 4：16：1

使用这种工艺生产周期长、产量低、在生产过程中会使用大量无水乙醇等有机物，不适于生产纯无机材料的光触媒。

蒸气凝聚法：利用高频等离子技术对工业二氧化钛粗品进行加热，使其汽化蒸发，再急速冷却可得到纳米级二氧化钛。

气相氧化法：将高纯度的TiCl4高温下氧化来制备二氧化钛，反应温度、停留时间及泠却速度等都将影响气相氧化法得到的二氧化钛的粒子形态。在研究中发现二氧化钛随着停留时间的延长和反应温度升高而增大，金红石型二氧化钛含量随停留时间延长而增加，当反应温度达到1300℃时，金红石型二氧化钛含量出现最大。这种生产工艺方法能源消耗大，对设备腐蚀性强，投资大，并且设备结构复杂，材料要求耐高温、耐腐蚀。

TiCl4(g) + O2(g)→TiO2(g) + 2Cl2(g)

n TiO2(g)→ n TiO2(s)

气相水解法：气相水解法又叫气溶胶法，既可以使用TiCl4为原料，也可以使用 Ti(OR)为原料，其中约含锐钛矿型70%，金红石型30%，平均粒径为30纳米，比表面积为每克50平方米，气相水解法不直接采用水蒸气水解，而是靠氢氧焰燃烧生产的水蒸气气解，反应温度高达1800℃以上，反应中可以通过调节温度，料比，流量，反应时间等参数控制二氧化钛的粒径和晶型。但高纯度的TiCl4在氢焰中进行高温水解而制得的纳米二氧化钛，很难控制反应温度和压强，并且投资很大，工艺复杂。

各种生产方式都有各自的特点：

1、沉淀法：易产生物料局部浓度过高的现象，难以控制粒子的形态，而且生产过程中三废严重。厂家处理污染成本很大。

2、溶胶凝胶法:制备方法简单，成本较低，温度容易控制。

加入硝酸水溶液作用：抑制水解；使得胶体粒子带有正电荷，阻止胶粒凝聚。

用此法制备溶胶稳定，但是生产出的光触媒晶型难以控制，附着力差。

3、W/O微乳液法：原料成本很高，工业化难度大。

4、液相法：需要通过煅烧才能得到锐钛型、金红石型或混合晶型粒子，生产过程中极易导致粒子团聚或烧结。

5、水解法：以TiCl4高温氧化反应为主，能直接得到锐钛型、金红石型或混全晶型粒子，分离较困难，使用大量有机物，这种方法制成的光触媒时效短，放置时间长会出现分层。

生产技术难点

1、分散技术。二氧化钛不溶于水，如何均匀将纳米二氧化钛分散在水中。分散技术为企业的核心商业秘密。一般企业不能具备这种能力，因为对技术、设备要求非常高。

2、规模化生产的能力。实验室里能生产出来的产品，不一定能规模化生产，规模化的生产要低成本并能控制质量的稳定。

主要分气相法跟液相法。

气相法中的TiCl4氢氧火焰水解法，产品纯度搞粒径小，表面积大，分散性好，团聚程度较小，对设备材质要求较严，对工艺参数控制要求精确，因此产品成本较高。此外气相法还有 TiCl4气相氧化法，钛醇盐气相水解法等。

液相法中的水热合成法制得的超细产品纯度高，分散性好，晶型好且颗粒大小可控，但该法要经历高温过程，对设备的材质和安全要求较严。溶胶-凝胶法具有纯度高，均匀性强，合成温度低，反应条件易于控制，特别是制备工艺相对简单，无需特殊贵重仪器，同时具有制得薄膜孔径小，孔径分布范围窄等优点。

材料的分类

已研究的光触媒材料有TiO2、ZnO、Cds、WO3、Fe2O3，PbS、SnO3、In2O3、ZnS、SrTiO3和SiO2等十几种，这些半导体氧化物都有一定的光催化降解有机物的活性并且稳定、无毒。因其中大多数易发生化学或光化学腐蚀，不一定适合作为通用性的光催化剂。通常讲的光触媒都是以纳米二氧化钛为主要原料。

对生活的益处

空气净化

对甲醛、苯系物、挥发性有机物、氨气、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、汽车尾气等影响人类身体健康的有毒物质，在光催化作用中，其中有机物分解为二氧化碳和水，从而净化空气。

抗菌防霉

对大肠杆菌、金色葡萄球菌、肺炎杆菌、霉菌等病菌具有杀灭功能的同时还能分解由病菌释放出的有害物质。

除臭除味

生活环境的臭味大多是有机物，如油漆中的有机溶剂，馊水中的含氮有机物气体，香烟味、厕所臭、动物臭等等，有机物都有碳基极易与纳米光触媒反应，从而分解为没有污染的CO2和H2O。

防污自洁

物体表面的污垢大多是含油脂污染物。油脂也是有机物，基于光催化的机理所以能分解后剥离于物体表面。

亲水防雾

二氧化钛光触媒表面与水滴的接触角几乎是零度，所以表面覆有二氧化钛光触媒的物体都有亲水防雾的功能。

水净化

净化水中的有害物质。

技术应用特点

光触媒通过光的照射，激发光触媒半导体的强氧化还原特性，像树叶一样分解污染物，释放负离子，改善空气质量，具有四大特性：

持续性

光触媒是触媒，是在光触媒材料表面上进行触媒反应，光触媒材料本身不会发生变化和损耗，在光的照射下不断净化污染物，持续作用时间长。

安全性

光触媒二氧化钛是不溶性的陶瓷，在1968年通过美国的美国食品和药物管理局（FDA）认证，1983年在日本已被用于作为食品添加剂获得批准。光触媒原料在食品着色剂，口红，防紫外线化妆品等行业中广泛使用，白色油漆颜料和染料的白色纤维广泛应用于家庭和各种行业中都在广泛使用。

高效环保

光触媒利用太阳能，光能分解污染物。触媒效能很高，本身不参与反应，是新兴的绿色环保材料。

全面性

纳米光触媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、醋酸、氨、挥发性有机物（TVOC）等污染物，并具有高效广谱的消毒能力，将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。

技术应用场合

在建筑防污处理，局部空气污染治理，家居（办公室）污染综合治理，汽车污染综合治理，医疗，机构，学校，大厦的抗菌，消毒等，净化汽车尾气，工业排放对建筑物的污染；通信工具，输电线路等的霜，雪挂处理；汽车车镜，眼镜防雾作用；空气净化与大气污染治理，水处理，纺织品抗菌，防污，防臭，公共场所的抗菌，防污，除臭；食品，食品运输工具，仓库空间净化；养殖场的抗菌，病毒，防污，除臭处理；污水处理，水净化；金属机械设备防锈功能；建筑物外表，玻璃幕墙的清洁；文物古建筑防老化处理；照明领域，化妆品等各个行业都有非常好的应用。

防虫方面应用

采用光触媒技术做粮食防虫防霉包装袋，首先是从日本开始使用的。1978年日本丸正公司率先把光触媒技术应用于大米包装的纸袋和聚乙烯袋上。根据日本谷物鉴定协会中央研究所1995年7月的研究成果：光触媒聚乙稀袋的虫害发病率为0，霉菌粒数发生率也是0。

据日本农业新闻1997年8月10日报道，日本谷物鉴定协会对1992年储藏的稻谷进行调查发现，采用光触媒防虫袋保存2年后的稻谷发芽率为84%，霉菌发病率是0，而且稻谷也未生虫。在日本，一般农户是用不起低温仓库的。为了保证储藏的粮食卖一个好价格，这种即不生虫，又不发霉，还能保持与新米一样香味的实用技术，为他们提供了很大方便。这种袋子开始被广泛关注和大量使用。

总碳含量研究

采用电解一光触媒联合法处理模拟废水，以降低其总碳含量。与电解法和光触媒法相比，

联合法可以使处理后的废水中总有机碳含量更低，并且所需反应时间更短，进而降低生产成本。实验结果表明：在酸化时间3h、电流强度750A/m、光触媒添加量2.0g的务件下，废水中各种产物含量低于我国废水排放标准，可以进行直接排放。

重金属废水是对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水．其中又以重金属与有机物

形成的重金属有机络合废水（HMOC）难处理。处理此类废水的方法大致分为以下几类：吸附及离子交换法，其缺点是需再生，操作费用高；生物絮凝法，其缺点是技术尚不完善，处理量有限_12　；混凝沉淀、化学氧化法，其缺点是消耗较多的化学药品和原材料，费用较高，操作复杂，且存在二次污染问题　．此外现在备受关注的方法有电解法、光触媒法，此两种方法具有可以将　废水降解为二氧化碳、水和简单有机物，常温常压下进行反应等优点。但电解法的缺点在于电流效率偏低、能耗大；光触媒法的缺点在于处理成本较高　．本实验使用电解一光触媒联合法（以下略称联合法）对废水进行处理．它的特点是电解法电极产生的氧气被光触媒使用，可以有效地节省成本．通过实验可知：联合法操作简单，速度快，反应效率高，有较强的应用性。

1　实验方法

1．1废水的成分

实验采用废水为自制的模拟废水．重金属的成分主要为二价铜离子，质量浓度为50mg/L，

有机物主要成分有邻苯二酚、乙二胺、乙二胺四乙酸，质量浓度为100　mg/L。

1．2实验方法

1．2．1　实验原理

电解槽中发生如下还原反应：电极在电源的作用下，使废水中的金属离子直接还原为单质金

属，同时有氧气生成．反应如下：2Cu　+4e　2Cu光触媒在光照下表面形成电穴和游离电子，结合氧气，发生氧化还原反应，表面形成强氧化性的氢氧自由基及超氧阴离子自由基，将有机物分解成CO和水

在国内的发展

2003年，中科院理化所只金芳博士产业只金芳曾师从藤岛昭无机纳米复合光功能材料的开发为研究重点，对光催化技术有着深入的研究。

“2005－2008年这个产业处于调整上升期，整个行业开始向理性化、规范化发展。特别是我们正在牵头制订《光催化国家标准》，标志着我国光催化行业正逐步走向标准化时代，随着健康、环保理念的普及，产业的市场前景也会日益广阔。”只金芳对光催化产业的未来充满了期待。

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