纳米光催化技术的应用

纳米光催化技术的应用

自20世纪70年代以来，纳米半导体光催化技术的研究得到了极为迅速的发展，尤其是在环境科学领域取得了飞速发展。目前，研究最多的是硫族化物半导体材料，如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等，由于TiO2的化学稳定性高，耐光腐蚀并且具有较深的价带能级，可使一些吸热的化学反应在被光辐射的TiO2表面得到实现和加速，加之TiO2对人体无毒，因此TiO2的光催化研究最为活跃。TiO2有3种形态：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型，其中，含钛70%锐钛矿型和30%金红石型的晶体粒子的光催化活性最佳。

TiO2光催化降解空气污染物作用原理是由其本身的结构所决定的，它的能谱带不是连续的，价带和导带由禁带分隔开，禁带宽度为3.2eV，当受到波长约小于387.5nm的近紫外线照射时，在其内部的价带电子被激发跨过禁带跃迁入导带生成电子空穴对。电子空穴对扩散到TiO2表面上，并能穿过界面与吸附在TiO2表面上的物质发生氧化还原反应。空穴能量7.5eV，氧化电位+3.0V，具有极强的氧化能力，能够氧化有机化合物达到完全矿化的程度，生成CO2、H2O和无机物，与水生成羟基自由基。电子具有还原性，能与O2分子发生还原反应生成过氧自由基。这些自由基具有很强的氧化能力，也能够氧化有机化合物。

利用硫酸钛，四氯化钛和有机钛酸酯为原料制备纳米TiO2粉体和薄膜光催化剂有多种方法：主要有气相合成法，通过四氯化钛与氧气反应或在氢氧焰中气相水解获得纳米级TiO2；液相法，包括硫酸法和溶胶-凝胶法；此外还有四氯化台水解、化学气相沉积法、等离子体气相沉积法、超声物化-热解法等多种催化剂置备方法。目前，对纳米粉体的制备方法的研究已经很成熟。国内已有多家公司可以批量生产TiO2纳米催化剂，国外也有相应的高活性催化剂商品销售。目前，对制备薄膜光催化剂的研究，尤其是高比表面、高活性薄膜光催化剂的研究已成为热点，多孔和中孔薄膜光催化剂的研究是纳米光催化剂实用的技术难点。TiO2纳米光催化技术在室内空气污染物净化的主要应用如下：

（1）无机气体的去除二氧化硫和氮氧化物既是城市空气中的主要污染物，也是室内燃料燃烧产生的主要污染物，氨则是某些混凝土添加剂（防冻液）释放出来的，这些污染物对人体危害大，直接引起呼吸系统疾病。光催化剂也能够氧化空气中较低浓度的二氧化硫、氮氧化物、硫化氢和氨。TiO2光催化氧化去除氮氧化物效果比较理想的浓度范围在0.01~10μL/L，在100μL/L以上是则难以去除。

（2）室内异味的去除室内异味物质主要是一些含硫、氮的化合物，如硫醇、硫醚、胺类，其成分多种多样，浓度极低，但散发的臭气却令人感到非常不舒适，将TiO2与臭氧或其他催化剂组合去除臭气效果较好。将TiO2固定在活性碳纤维、蜂窝状板材上，制备出光催化空气净化器，能够有效地去除硫化氢、氨等臭气物质。利用粒子粒径纳米级的TiO2作催化剂，再用氢氧化锌进行表面处理吸附甲硫醇的能力获得明显的改善，在紫外线的照射下发生光催化氧化分解甲硫醇的效率获得大幅度提高。

（3）V oCs的去除室内空气中的化学污染物以挥发性有机物VoCs为主。TiO2在紫外线照射下生成的空穴具有的氧化分解能力，必氯气和臭氧都高，在清除V oCs上具有独到之处。其适用于低浓度污染物的去除，也适用于多种污染物的去除。光催化氧化能够完全分解破坏挥发性有机污染物，包括许多难于用其他方法降解的污染物，最终达到无机化。已经通过光催化氧化分解室内空气中典型的V oCs有苯系物（苯、甲苯）、醛类（甲醛HCHO、乙醛）、醇类（甲醇、乙醇），还有乙酸、苯酚、吡啶、丙酮、氯苯、氯甲烷等。

——摘自《室内空气污染与防治》P126