[科普中国]-纳米光催化技术

也称光触媒技术，是将附着在有效介质上的纳米颗粒通过特定光源的照射，与周围的水、空气中的氧发生作用后产生具有极强的氧化，还原能力的“电子-空穴”对的一种技术。这种“电子-空穴”对能在室温下将空气或水中的有机污染物和部分无机污染物予以光解消除，将其直接分解成无害无味的物质，并能破坏细菌的细胞壁，杀灭细菌，从而达到对污水、废气的处理和杀菌目的的技术。

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，因此尤以TiO2的光催化研究最为活跃。1

纳米TiO2光催化技术反应机理TiO2是一种N型半导体材料，其能带结构是不连续的，通常情况下是由一个充满电子的低能级价带(VB)和一个空的高能级导带(CB)构成，它们之间被禁带隔开。TiO2的禁带宽度为3.2eV，当用能量大于或等于其禁带宽度的人射光，也就是波长小于或等于387.5nm的光照射时，其价带上的电子被激发，越过禁带进入导带产生高能电子(e-)和空穴(h+)，在电场的作用下，电子和空穴发生分离并分别迁移到TiO2粒子表面的不同位置，与吸附在TiO2表面的OH-、H2O和O2等发生一系列的反应产生高活性的·OH自由基，其可以与吸附在TiO2粒子表面的有机物和部分无机物发生氧化还原反应，最终生成CO2、H2O和一些无害的无机离子。基本反应式如下：

在光致电子和空穴参与光催化反应的同时，二者之间也存在着复合的可能性，如果缺少适当的电子和空穴捕获剂，储备的能量在几个纳秒之内就会通过复合而消耗掉。纳米TiO2由于具有表面效应与界面效应，表面原子迅速增加，光吸收效率增高，从而增加了表面光生载流子的浓度。另一方面，半导体光催化速率与物质在催化剂表面的吸附有关，随着TiO2晶粒尺寸的减小，比表面积增大，表面键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子的配位不全导致表面活性位置增多，因而比常规TiO2颗粒活性要高，有利于反应物的吸附，从而增大了反应概率。2

光催化剂的制备已建立了利用硫酸钛、TICl4和有机钛酸酯为原料制备纳米TiO2粉体和薄膜光催化剂的多种方法。

（1）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。

（2）液相法

包括硫酸法和溶胶—凝胶法。

此外还有四氯化钛水解、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，特别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纳米光催化剂，国外也有相应的高活性光催化剂商品销售。

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了热点，有关多孔和中孔薄膜光催化剂的研究是纳米光催化剂走向实用的技术难点。3

纳米光催化技术的应用（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）释放出来这些污染物对人体健康危害大，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。

（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固定在活性炭纤维、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作光催化剂，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）VOCs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，比氯气和臭氧都高，在清除VOCs上具有独到之处，如适用于低浓度污染物的去除和多种污染物的去除等。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VOCs有：苯系物(苯、甲苯)，醛类(甲醛、乙醛)，醇类(甲醇、乙醇)，还有乙酸、苯酚、吡啶、丙酮、氯苯、氯甲烷等。

（4）微生物的去除

TiO2纳米光催化剂具有很强的杀菌能力，以及对细菌的光谱性杀灭，几乎可以杀灭所有的细菌，如大肠杆菌、绿脓菌、葡萄球菌、霉菌、化脓菌，白藓菌等。对病毒也具有很强的杀灭能力。TiO2超氧化能力破坏细胞的细胞膜使细胞组分流失造成细菌死亡；还可凝固病毒的蛋白质，抑制病毒活性达到灭活病毒的目的。利用纳米光催化剂的这种光谱杀菌的特性，已研制了多种抗菌材料，如瓷砖、壁纸、陶瓷、塑料、涂料等，广泛应用于医院、建材等行业。3

（5）饮用水的消毒

随着纳米技术的发展和纳米TiO2光催化技术研究的不断深入，许多研究者进行了TiO2光催化技术在水消毒中的应用，发现TiO2光催化消毒技术与其他常用消毒技术相比具有许多优点：不需要价格昂贵的氧化剂，而且光催化剂本身无毒，价格低廉；激活催化剂的光源是长波长紫外线，比较接近于日光中紫外线的组成，因此几乎不需要动力源；系统所产生的氧化剂具有很强的氧化性，没有选择性，可以杀灭大多数微生物和完全矿化包括三卤甲烷(THMS)在内的大多数有机物。2

本词条内容贡献者为:

吴俊文 - 博士 - 厦门大学