简介

纳米光触媒材料

光触媒产品应用领域

如何鉴别光触媒优劣？

简介

纳米光触媒是指在光照下，自身不发生化学变化，却可以促进化学反应的物质，其功能就象光合作用中的叶绿素。锐钛型纳米TiO2是最主要的光触媒材料，当其吸收太阳光或其他光源中的能量后，粒子表面的电子被激活，逸离原来的轨道，同时表面生成带正电的空穴。逸出的电子具有强还原性，空穴则具有强氧化性，两者与空气中的水气反应后会生成活性氧和氢氧自由基。活性氧、氢氧自由基能将大部分有机物、污染物、臭气、细菌等氧化分解成无害的二氧化碳和水。

纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。

纳米光触媒材料

世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。在早期，也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性，故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料，部分工业光催化领域还在使用。二氧化钛是一种半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)，金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。

二氧化钛是氧化物半导体的一种，是世界上产量非常大的一种基础化工原料，普通的二氧化钛一般称为体相半导体以与纳米二氧化钛相区分。具有Anatase或者Rutile结构的二氧化钛在具有一定能量的光子激发下[光子激发原理参考光触媒反应原理]能使分子轨道中的电子离开价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)。从而在材料价带形成光生空穴[Hole+]，在导带形成光生电子[e-],在体相二氧化钛中由于二氧化钛颗粒很大，光生电子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合，从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。但是纳米的二氧化钛颗粒由于尺寸很小，所以电子比较容易扩散到晶体表面，导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区-光生电子和光生空穴。由于光生电子和光生空穴都有很强的能量，远远高出一般有机污染物的分子链的强度，所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应，产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用，一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。

从上面介绍我们可以看到，二氧化钛的光催化反应过程，很大程度依靠第一步的光子激发，所以有足够激发二氧化钛的光子，才能提供足够的能量，我们也可以知道，光催化反应并不是凭空产生的它也是需要消耗能量的，符合能量守恒原则，它消耗的是光子，也就是光能。如果是太阳光照射光触媒就利用太阳能，灯光就是利用光能。联合国将纳米光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。

什么样的光子能激发二氧化钛呢，从理论结构上来说，锐钛二氧化钛的导带与价带之间的间隙[我们称之为能隙]是3.2eV 而金红石二氧化钛为3.0eV,所以金红石需要光能大于3.0eV的光子而锐钛需要大于3.2eV的光子。光子的能量E与波长λ(Lambda)与之具有反比关系E = h C / λ，所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。虽然锐钛矿需要略多的能量来激发，但是同样的锐钛矿的二氧化钛光触媒具有更强的氧化能力，所以被更为广泛的使用。有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳米光触媒采用锐钛型的原因。

当然，随着科技的进步人类能够已经突破了380nm的界限，研发出在可见光下也有响应的光触媒产品，在日本有3家企业掌握真正的可见光响应技术，2005年泰坦光能也推出了国内首款自主知识产权的可见光增强光触媒，可见光下性能达到普通光触媒的10倍，已申请国家专利，相信随着可见光响应技术在中国的推广，纳米光触媒的应用会更广泛更进一步。

光触媒产品应用领域

纳米二氧化钛（光触媒）广泛应用于室内空气净化、污水处理、涂料、化妆品、塑料、纺织品、陶瓷、玻璃、脱腥嗅、消毒杀菌等领域。例如：在养殖业可用来预防各种动物传播疫病；在纺织业可制作出多种功能纤维，如抗紫外线型、抗菌除臭型、远红外线反射型、拒水防污型等多功能的纺织产品；在油漆领域可制出着色很强的轿车金属闪光面漆和防锈漆；在涂料领域通过添加该产品可制出具有消毒杀菌和空气净化等功能的涂料产品。

如何鉴别光触媒优劣？

目前，国内市场上常见的光触媒产品主要分为金黄色、蛋黄色和乳白色三种颜色。一流的生产工艺和纳米级二氧化钛粒径，可以使二氧化钛在光触媒液体中均匀分布，不产生沉淀和其他絮状物，因此优质光触媒产品为金黄色透明液体。此类产品侧光观察，会有蓝色光泽。蛋黄色产品虽然不透明，但颜色均匀，应没有明显的沉淀颗粒和絮状物。如果出现沉淀，说明产品分散工艺落后，产品的活性可能受到影响。

一般消费者在选择光触媒产品时，首先需要厂家提供带有CMA标志的灭菌检测、有害物质降解和无毒实验报告，然后再通过感官鉴别方法判断产品的品质。

劣质产品多现于乳白色产品中，此类产品静置5至10分钟即会出现沉淀，瓶底堆积大量白色颗粒物。这种沉淀说明产品分散工艺不佳，从而造成二氧化钛团聚。这种团聚会直接影响到光触媒活性，降低产品的光催化能力，进而失去污染降解效力。

优质光触媒产品无任何异味，而劣质光触媒则具有强烈的酸腐气味或较强的碱味。异味的出现，说明产品在生产过程中添加了大量有机成分，如磷酸等腐蚀性较强的酸类物质，喷涂后会对环境造成污染和腐蚀。