簡介
1967年,日本東京大學(xué)的本多建一教授和博士班學(xué)生藤島昭發(fā)現(xiàn),用光照射二氧化鈦電極可進行水的電解反應(yīng)。這就是著名的“本多-藤島效應(yīng)”。
日本將類似這種可在光照下出現(xiàn)光催化效應(yīng)的化學(xué)材料命名為“光觸媒”。
國際學(xué)名
(Photocatalyst)= 光(Photo)+ 催化劑(catalyst)。
故也可以稱光觸媒為光催化材料。
光觸媒
光觸媒在光的照射下,會產(chǎn)生類似光合作用的光催化反應(yīng),將空氣中的水或氧氣催化成氧化能力極強的羥基自由基(·OH)和超氧陰離子自由基(O2·)、活性氧(HO2·,H2O2)等具有極強氧化能力的光生活性基團,這些光生活性基團的能量相當(dāng)于3600K的高溫,具有很強的氧化性,這些強氧化性基團可強效分解各種具有不穩(wěn)定化學(xué)鍵的有機化合物和部分無機物,并可破壞細菌的細胞膜和凝固病毒的蛋白質(zhì)載體。、
光觸媒是一種以納米級二氧化鈦為代表的具有光催化功能的光半導(dǎo)體材料的總稱,它涂布于基材表面,干燥后形成薄膜,在光線的作用下,產(chǎn)生強烈催化降解功能:能有效地降解空氣中有毒有害氣體;能有效殺滅多種細菌,抗菌率高達99.99%,并能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理;同時還具備除臭、抗污等功能。
主要原料
光觸媒材料主要有納米TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2等,2000年以來又發(fā)現(xiàn)一些納米貴金屬(鉑、銠、鈀等)具有更好的光催化性能,但由于其中大多數(shù)易發(fā)生化學(xué)或光化學(xué)腐蝕,而貴金屬成本則過高,都不適合作為家居凈化空氣用光催化劑。
在所有的光觸媒材料中,納米TiO2不僅具有很高的光催化活性,且具有耐酸堿腐蝕、耐化學(xué)腐蝕、無毒等優(yōu)點,價格也適中,具有較高的性價比,因而市場上大多使用納米二氧化鈦作為主要原材料。
納米二氧化鈦(TiO2)是一種半導(dǎo)體,主要有銳鈦型(Anatase),金紅石型(Rutile)及板鈦型(Brookite)三種晶體結(jié)構(gòu),其中:
板鈦型晶體穩(wěn)定性差,一般認(rèn)為不具備光催化活性。
銳鈦型晶體具有比金紅石型晶體更強的光催化性能,耐候性和附著性也很好,納米無機包覆穩(wěn)定,市場價格高于金紅石型晶體。
納米氧化鋅(ZnO)粒徑介于1-100 nm之間,是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細無機產(chǎn)品,表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì),如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等,利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能,可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。在橡膠、陶瓷、紡織、印染、國防工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
納米二氧化鋯(ZrO2)呈高純度白色粉末狀,無臭、無味。低溫時為單斜晶系,高溫時為四方晶型。具有高的折射率(折射率2.2)和耐高溫性。有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性、高溫導(dǎo)電性和較高的高溫強度和韌性,具有良好的機械、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)。其中HT-ZrO-01為單斜晶型,HT-ZrO-02為四方晶型。納米氧化鋯顆粒尺寸微小、是很穩(wěn)定的氧化物,具有耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐高溫的性能,可用于功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷,以及寶石材料。
光觸媒 - 作用原理
光觸媒在特定波長段的光照射下,會產(chǎn)生類似植物中葉綠素光合作用的一系列能量轉(zhuǎn)化過程,把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而賦予光觸媒表面很強的氧化能力,可氧化分解各種有機化合物和礦化部分無機物,并具有抗菌的作用。在光照射下,光觸媒能吸收相當(dāng)于帶隙能量以下的光能,使其表面發(fā)生激勵而產(chǎn)生電子(e-) 和空穴(h+)。這些電子和空穴具有很強的還原和氧化能力,能與水或容存的氧反應(yīng),產(chǎn)生氫氧根自由基(?OH)和負(fù)氧離子(?O )。如表1所示,這些空穴和氫氧根自由基的氧化能大于120kcal/mol,具有很強的氧化能力,幾乎能將所有構(gòu)成有機物分子的化學(xué)鍵切斷分解。因此可以將各種有害化學(xué)物質(zhì)、惡臭物質(zhì)分解或無害化處理,達到凈化空氣、抗污除臭的作用。
表1:各種化學(xué)鍵的氧化能
化學(xué)鍵 正孔和氫氧根自由基 碳-碳鍵 碳-氫鍵 碳-氮鍵 碳-氧鍵 氧-氫鍵 氮-氫鍵。氧化能(kcal/mol) >120 83 99 73 84 111 93此外,如表2所示,氫氧根自由基比作為消毒殺菌劑被廣泛使用的次氯酸、雙氧水和臭氧等具有更強的氧化能力,二氧化鈦通過這種氧化能力破壞了細胞內(nèi)的輔酶A等輔酶和呼吸作用酶等發(fā)揮抗菌作用而使細菌或真菌的繁殖中止;同時當(dāng)帶正電荷的空穴接觸到帶負(fù)電荷的微生物細胞后,依據(jù)庫倫引力,相互吸附,并有效地?fù)舸┘毎?,使細胞蛋白質(zhì)變性,無法再呼吸、代謝和繁殖,直至細胞死亡,完成滅菌;并能將細菌或真菌釋放出的毒素分解。
表2:各種氧化劑的氧化電位
氧化劑 氧化電位(伏特) 相對氧化電位(對數(shù)值)
氫氧根自由基 2.80 2.05
氧原子 2.42 1.78
臭氧 2.07 1.52
雙氧水 1.77 1.30
雙氧自由基 1.70 1.25
次氯酸 1.49 1.10
氯氣 1.36 1.00
光觸媒 - 主要功能和特點
(1)全面性:光觸媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物,并具有高效廣譜的消毒性能,能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。
(2)持續(xù)性:在反應(yīng)過程中,光觸媒本身不會發(fā)生變化和損耗,在光的照射下可以持續(xù)不斷的凈化污染物,具有時間持久、持續(xù)作用的優(yōu)點。
(3)安全性:無毒、無害,對人體安全可靠;最終的反應(yīng)產(chǎn)物為二氧化碳、水和其他無害物質(zhì),不會產(chǎn)生二次污染。
(4)高效性:光觸媒利用取之不盡的太陽能等光能就能將擴散了的環(huán)境污染物在低濃度狀態(tài)下清除凈化。
耐候性
光觸媒產(chǎn)品經(jīng)受氣候的考驗,如物理磨損、冷熱、自身晶格缺陷等造成的綜合破壞,其耐受能力叫耐候性。
純凈的光觸媒粉末不具有實用性,很簡單,風(fēng)一吹就沒了,所以必須做成粘合型的溶液,而且溶液干燥后會吸附在各類家具表面,不容易磨損及掉落。要實現(xiàn)這個性能,不添加黏合劑是做不到的,所以不含黏合劑的光觸媒溶液產(chǎn)品要么是炒作,要么就是干燥后會大量掉落。
純凈光觸媒在光照射下,除了能發(fā)生光催化反應(yīng)外,還會發(fā)生光化學(xué)活性反應(yīng),這種光化學(xué)活性反應(yīng)是由光觸媒內(nèi)在晶格缺陷引起的,這種反應(yīng)會釋放新生態(tài)氧[O],新生態(tài)氧通過物質(zhì)遷移,與光觸媒本身及家具表面材料進行反應(yīng),會導(dǎo)致物質(zhì)有機聚合物氧化、降解,最終造成涂膜的粉化和失光,縮短其使用壽命,造成家具表面失色或斑駁。所以,必須要對光觸媒進行特殊工藝的無機包覆,從根本上解決光觸媒的光化學(xué)活性反應(yīng)問題。
由上兩條可知,將光觸媒產(chǎn)品是否純凈,是否含有分散劑作為評價光觸媒性能是否優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是不科學(xué)的。
純凈的光觸媒只能吸收紫外光,可吸收可見光甚至遠紅外光的光觸媒必然螯合了其他活性催化材料。
有效接觸濃度
光觸媒本身是一種催化劑,不直接參與降解反應(yīng),它通過吸收光能把水或氧氣轉(zhuǎn)化成強氧化活性基團,而強氧化活性基團使空氣污染物降解,所以必須直接接觸到水分子或氧分子。
因而,在濃度因素中,決定光觸媒性能的是有效接觸濃度,即可以與水或空氣接觸的光觸媒濃度,而不是某一種產(chǎn)品的濃度。比如一塊二氧化鈦瓷磚,如果大量的二氧化鈦被封閉在瓷磚內(nèi)部,就算濃度再高,又有什么意義呢?
在噴涂產(chǎn)品中,有效接觸濃度不僅與溶液中光觸媒濃度有關(guān),而且與噴涂工具、噴涂手法等現(xiàn)場工藝有關(guān)。另外,與產(chǎn)品附著性也直接相關(guān),如果干燥后出現(xiàn)大量剝落,就算初始“濃度”再高,又有什么意義?
而且一般光催化反應(yīng)都是多相光催化過程,反應(yīng)過程都在界面發(fā)生。光催化反應(yīng)效率由催化劑自身的量子效率和反應(yīng)過程條件兩個方面決定。光催化材料表面的微觀結(jié)構(gòu)也很重要,它直接影響了光催化反應(yīng)的效率。好的光催化材料微觀表面應(yīng)該是粗糙的、凹凸不平的(以原子力顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)照片為準(zhǔn)就像遍布隕石坑的月球表面),這樣可以增加捕捉甲醛、VOC等有機物氣體分子的機率,產(chǎn)生納米界面材料的二元協(xié)同效應(yīng)進而增強降解凈化能力。
納米細度
根據(jù)不同光觸媒材質(zhì)不同而不同,一般認(rèn)為,納米細度大于50納米的光觸媒基本不具備光活性,30納米以下較佳。純凈光觸媒的納米細度可以做到5納米左右,但只能在紫外光條件下作用。螯合了活性催化元素的光觸媒一般分子直徑較大,因為螯合元素越多,直徑自然越大,當(dāng)然,螯合越多,光波吸收范圍也越寬,螯合型光觸媒產(chǎn)品的最佳納米細度為8~10納米。
一般情況下,在相同光波吸收范圍下,光觸媒納米細度越小,催化性能越強,但納米細度也不可能無限降低,一是細度越小,制作成本越高,性價比不高,二是光具有波粒二象性,當(dāng)材料納米細度少于一定程度后,會降低粒子性光能的吸收率,三是細度越小,后期越容易團聚。故優(yōu)質(zhì)光觸媒一般納米細度均為5~10納米。
負(fù)氧離子特性
光觸媒在進行光催化反應(yīng)的時候,會產(chǎn)生超氧陰離子自由基(O2·),伴生負(fù)氧離子。但可以達到最佳的負(fù)氧離子釋放功效的光觸媒,必須是可吸收遠紅外光譜,只有這樣,白天、晚上及無光的櫥柜里,才可全天候釋放負(fù)氧離子。
作用
光觸媒作為新興的空氣凈化產(chǎn)品,越來越多的應(yīng)用于車內(nèi)的空氣凈化,如凈呼吸光觸媒等,主要有以下功能:
空氣凈化功能:
對甲醛、苯、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影響人類身體健康的有害有機物起到凈化作用。
負(fù)氧離子功效:
釋放負(fù)氧離子,中科院理化技術(shù)研究所對國內(nèi)某光觸媒進行檢測后發(fā)現(xiàn),使用優(yōu)質(zhì)光觸媒噴涂100平米建筑面積的房間,相當(dāng)于種了25棵白樺樹的凈化效果。
殺菌功能:
對大腸桿菌、黃色葡萄球菌等具有殺菌功效。在殺菌的同時還能分解由細菌死體上釋放 出的有害復(fù)合物。
除臭功能:
對香煙臭、廁所臭、垃圾臭、動物臭等具有除臭功效。
防污功能:
防止油污、灰塵等產(chǎn)生。對浴室中的霉菌、水銹、便器的黃堿及鐵銹和涂染面褪色等 現(xiàn)象同樣具有防止其產(chǎn)生的功效。
凈化功能:
具有水污染的凈化及水中有機有害物質(zhì)的凈化功能,且表面具有超親水性,有防霧、易 洗、易干的效能。
特點
全面性
光觸媒是目前國際上最安全和最潔凈的環(huán)境凈化材料,在歐美和日本、韓國等區(qū)域廣泛運用,美國宇航空間站凈化工程、海上油污降解工程和日本公交公司消毒工程均使用光觸媒進行處理。
光觸媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物,并具有高效廣泛的消毒性能,能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。
持續(xù)性
在環(huán)境污染不嚴(yán)重的條件下,只要不磨損、不剝落,光觸媒本身不會發(fā)生變化和損耗,在光的照射下可以持續(xù)不斷的凈化污染物,具有時間持久、持續(xù)作用的優(yōu)點。
但如果環(huán)境污染比較嚴(yán)重時,一些硫酸根和硝酸根離子會影響光觸媒的壽命和效果,會出現(xiàn)失活現(xiàn)象,可以通過相關(guān)技術(shù)工藝回復(fù)活性。
安全性
無毒、無害,對人體安全可靠;不會產(chǎn)生二次污染。
耐候性
一要看納米無機包覆技術(shù)是否過硬,包覆越穩(wěn)定,內(nèi)部光化學(xué)活性反應(yīng)越微弱,越不容易老化剝落,也越不容易損壞家具,但包覆工藝越復(fù)雜,成本也越昂貴。
二要看添加劑黏度是否合適,但由于黏度較大的光觸媒不容易干燥,而且有粘性,用戶較難接受,因而很多廠家都往輕粘性方向發(fā)展,但時間長了容易掉落。
因而,不同的光觸媒性能差異很大,在選擇光觸媒凈化產(chǎn)品時,應(yīng)多方面考慮家庭實際,選擇最合適的凈化方式。、
永久有效
光觸媒不是永動機,也不是恒久穩(wěn)定的物質(zhì),它只是一種凈化材料,就連黃金也會隨時間磨損和氧化,更何況是二氧化鈦。從理論上來講光觸媒確實可以永久發(fā)揮作用。但在現(xiàn)實應(yīng)用上還存在條件問題,光觸媒壽命長短跟3個因素直接相關(guān):
物理磨損,
比如經(jīng)常用粗糙物體擦洗,或尖銳物體在墻壁上劃了一下,但總體來說物理損害較小。
空氣中的某些氣體
(大氣污染較為嚴(yán)重的城市環(huán)境)如SO2可能被氧化成硫酸根離子,NO2可能被氧化成硝酸根離子,從而影響光觸媒的使用壽命和效果,從而出現(xiàn)光觸媒失活現(xiàn)象;失活后,可以通過相關(guān)技術(shù)工藝來回復(fù)活性。
光觸媒內(nèi)部由于晶格缺陷
產(chǎn)生過強的光化學(xué)活性。光化學(xué)活性太強,會氧化降解有機物基材(如油漆、皮革、織物),使基材表面腐蝕、變色、粉化,光觸媒涂膜粉化、剝落,最終影響使用壽命。這個21世紀(jì)以來可以通過無機包覆技術(shù)解決。因此,我們一般把光觸媒稱為是半永久凈化材料,光觸媒有效期長短可參考日本公交系統(tǒng)的消毒制度,日本公交車使用光觸媒噴涂后,5年內(nèi)可不進行其他消毒方式,由此可認(rèn)為:
在公用場所,使用優(yōu)質(zhì)光觸媒噴涂后,凈化殺菌效果至少可保證5年。
光觸媒 - 光觸媒的作用
光觸媒原理圖
光觸媒作為一種新興的空氣凈化產(chǎn)品,主要有以下功能:
A.空氣凈化功能:對甲醛、苯、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影響從類身體健康的有害有機物起到凈化作用。
B.殺菌功能:對大腸桿菌、黃色葡萄球菌等具有殺菌功效。在殺菌的同時還能分解由細菌死體上釋放 出的有害復(fù)合物。
C.除臭功能:對香煙臭、廁所臭、垃圾臭、動物臭等具有除臭功效。
D.防污功能:防止油污、灰塵等產(chǎn)生。對浴室中的霉菌、水銹、便器的黃堿及鐵銹和涂染面褪色等 現(xiàn)象同樣具有防止其產(chǎn)生的功效。
E.凈化功能:具有水污染的凈化及水中有機有害物質(zhì)的凈化功能,且表面具有超親水性,有防霧、易 洗、易干的效能。
光觸媒 - 光觸媒的缺陷
1.需要盡量保持室內(nèi)的光線,為光觸媒提供一個好的工作條件,同時光觸媒與其他被動空氣凈化產(chǎn)品一樣,都需要空氣中的有害物質(zhì)與其表面接觸才能發(fā)生反應(yīng),所以需要增強室內(nèi)空氣的流動性,保持一定的通風(fēng)是有好處的。
2.光觸媒既然叫“光”觸媒,就必須要有光才能有效,最好是在紫外線照射下,目前一些較好產(chǎn)品也可以在可見光的紫外線部分照射下發(fā)生作用,
但是仍然需要光線,所以光觸媒類產(chǎn)品主要用于墻面施工,對于家具柜子、抽屜等效果不明顯;
3.另外就是光觸媒需要專業(yè)人員使用噴***施工,個人無法自行施工;
4.光觸媒只能吸附游離在空氣中的有害物質(zhì),對污染源沒有效果,不能從根源上解決室內(nèi)污染。
光觸媒 - 應(yīng)用領(lǐng)域
A.生活工作的場所:起居室、辦公室、會議室、計算機房、演講廳、宴會廳、 公寓、汽車等;
B.保健醫(yī)療公共娛樂社區(qū):醫(yī)院候診室、病房、生育保健中心、幼兒園、寵物醫(yī)院、養(yǎng)老院、賓館、公共衛(wèi)生間、吸煙室、卡拉OK房、飯店等;
C.特定場所:學(xué)校、飯店、實驗室、食品加工場、家禽家畜飼養(yǎng)場等;
D.立區(qū)域及用具:家庭廚房、梳理臺、餐廳、餐具、浴室、浴缸、廁所、馬桶、客廳、窗簾、墻壁、天花板、玩具、家具、儲水槽、垃圾、書房、吸煙區(qū)等生活區(qū)。
光觸媒 - 幾種簡單鑒別方法
目前市場上光觸媒產(chǎn)品魚龍混雜良莠不齊,在這里就向大家介紹幾種簡單光觸媒鑒別方法。
一、顏色
光觸媒的作用大小是由主要原料 -二氧化鈦的顆粒大小決定的,顆粒越小,光催化效果越好。優(yōu)質(zhì)光觸媒原液中的二氧化鈦為納米級,光觸媒外觀呈無色液體、半透明液體或乳白色液體,優(yōu)質(zhì)光觸媒由于光觸媒的核心技術(shù)即分散技術(shù)較好,一般不會有沉淀或只有少許沉淀,而劣質(zhì)產(chǎn)品由于材料選用差、分散工藝差等原因,會導(dǎo)致有大量白色沉淀,這種沉淀決不是所謂的納米二氧化鈦含量高所致,而完全是材料及技術(shù)原因造成的, 有些產(chǎn)品為粘稠度很高的漿狀,這種產(chǎn)品一般不是因為納米二氧化鈦含量高所導(dǎo)致,而是其選用的黏合劑(這種產(chǎn)品多數(shù)為有機黏合劑,會因為有機黏合劑會被光觸媒逐漸分解的原因而造成產(chǎn)品穩(wěn)定性能差)以及分散工藝落后所致。
二、氣味
質(zhì)量好的光觸媒為無味的水溶液,如果打開裝光觸媒液包裝的瓶蓋子,有異味 :如酒精味,樹脂味,其它有機物氣味,則均為劣質(zhì)光觸媒,有嚴(yán)重二次污染。
三、在光照下產(chǎn)品的顏色變化
假劣光觸媒使用了有機粘合劑,分散劑等有機物加在鈦白粉中制成,它會在陽光的直射下幾小時內(nèi)會變黑。因為鈦白粉在光照下也能有微弱的光催化反應(yīng)發(fā)生 ,氧化了其溶液中的有機物成分。好的光觸媒液采用的是無機粘合劑,在光照下沒有產(chǎn)品的顏色變化。
四、測酸堿度PH值
在化學(xué)試劑商店購買一包 PH值試紙,價格在2元左右;把試紙插入光觸媒中測量PH值。優(yōu)質(zhì)的光觸媒產(chǎn)品是中性的,PH值接近7,不會對物體產(chǎn)生腐蝕作用。劣質(zhì)的光觸媒生產(chǎn)工藝過程中使用了強酸或者強堿,PH值在6以下或者大于8,腐蝕作用明顯,一段時間后墻面或家具,織物表面會變色,如果經(jīng)銷商進了這樣的貨,等著用戶索賠吧。
五、室內(nèi)自然光下的氧化能力測試
好的光觸媒可以在室內(nèi)可見光下表現(xiàn)出效果,劣質(zhì)產(chǎn)品只能被紫外線激發(fā),只能在室外使用,室內(nèi)使用效果極差,在化工商店購買一瓶甲基藍 (一種有機染料),制成100ppm(萬分之一)濃度的溶液,將甲基藍溶液滴入裝光觸媒的玻璃試管,放置在室內(nèi),能夠使甲基藍褪色的光觸媒質(zhì)量好,褪色不明顯的是劣質(zhì)光觸媒。也可以采用紅墨水的方法,蘸取少許紅墨水在光觸媒溶液中攪動至微紅色(顏色太重可能會導(dǎo)致分解時間過長,不易于短時間內(nèi)判斷),放置在太陽光下,優(yōu)質(zhì)光觸媒幾個小時就會有明顯的分解效果,而假劣光觸媒即使放上幾天也不會有什么變化。這種方法的判定首先應(yīng)判斷光觸媒的PH值的基礎(chǔ)上。
六、客觀科學(xué)地判斷產(chǎn)品說明
光觸媒是通過吸收光的能量后表現(xiàn)催化劑作用的,無光狀態(tài)光觸媒?jīng)]有能量來源,自然沒有效果。那些宣稱無光狀態(tài)也具有消除甲醛作用的光觸媒,無非是因為本身產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)加入了甲醛清除劑來應(yīng)付治理后的檢測,這是對消費者極不負(fù)責(zé)任的。甲醛清除劑,裝修除味劑等有很快的除味效果,但是它的作用只有幾天時間。隨著甲醛從板材,粘合劑中不斷游離出來,治理后的房間不久又會超標(biāo),并產(chǎn)生的二次污染。這些假冒偽劣產(chǎn)品的生產(chǎn)廠還編造出許多諸如冷觸媒,自然觸媒等新名詞來欺騙經(jīng)銷商和消費者,這樣的產(chǎn)品我們當(dāng)然不能用。試想光觸媒真正的技術(shù)發(fā)展過程不過短短幾年,日本、韓國等光觸媒技術(shù)發(fā)達國家尚且沒有研制出所謂的無光可以起作用的光觸媒(冷觸媒,自然觸媒),而中國又怎么能到處都出現(xiàn)這樣的產(chǎn)品哪?所以消費者應(yīng)該學(xué)會科學(xué)客觀的去進行判斷。