光催化技術在建筑環境與設備中的應用及研究現狀

摘 要：簡要概括了光催化方法運用在建筑和設備里的應用與探究，如今進行研究最重要的就是怎么使用光催化措施對室內空氣的質量進行改善、使用光催化的材料進行殺菌、使用光催化的自潔與防霧的作用、使用光催化的材料對空調制冷傳熱性能的強化作用；仔細的研究了其狀況，同時對其接下來需要研究的問題進行分析。

關鍵詞：光催化技術；建筑環境與設備；應用現狀

引言

利用光進行催化的方式是新型的能源性的技術，其優點是：消耗低、過程簡單、使用后反應溫和、降低再次污染、能夠持續性的進行工作，越來越被人們所重視。從二十世紀五十年代開始，就開始利用光進行催化的研究，那個時候是要解決因為無機的化合物而造成的光的分解反應，也是因為燃料造成涂料的老化現象的問題。在二十世紀六十到七十年代，研究者對其進行研制出的傳真復印的技術與各種新型的光電技術的時候，針對有光刺激與應答作用的半導體的氧化物的材料分析，并且深入探討。一九七二年藤島昭等研究人員進行實驗的過程中，突然發現了一種使用二氧化鈦的單晶式的半導體作為電極，有光的照射的條件下降水電進行電解成為氧與氫，同一時間，研究者找到了水中一些被成功降解的有機物質，這是利用光進行催化的歷史上的一個重要的突破。在這以后，研究人員將二氧化鈦負載在金屬質地的載體上研制出了微電池，這樣就證實了二氧化鈦是能夠利用光進行催化形成反應的事實。在之后的二十多年內，藤島昭等研究人員在日本進行納米二氧化鈦的研制與開發的工作。對二氧化鈦進行研制與技術開發運用，這也是史上的光潔凈的革命事件。多國的研究者也都陸續的對其進行研究，不過將光催化方法運用在建筑與設備之中的研究也是在最近這十年左右的事。在建筑與設備里，使用光催化方法對室內的空氣質量進行提高，同時也有著殺菌的功能，利用這項技術制成的材料使用在玻璃與建筑內的裝飾上也有清潔與防霧的效果，如今國內外進行研究與開發的重點問題就在運用納米進行空調的強化與制冷及傳熱功能上。

1 光催化技術在室內空氣凈化中的應用

TiO2光催化材料在受到紫外線光照射時，鈦原子上的電子被光激發，形成電子空穴對，空氣中的水、氧氣會被分解為具有極強氧化力的O2-和氫氧根自由基OH-，能使有機物分解成CO2和H2O，也能降解部分無機化合物，從而達到凈化空氣的效果。光催化空氣凈化的本質是在光電轉換過程中進行氧化還原反應。表1列出了各種氧化劑的氧化電位。光催化空氣凈化技術不同于傳統的過濾吸附方法。傳統的過濾吸附方法只起到使污染物轉移的作用，并不能對污染物徹底根除，且存在濾芯的吸附飽和問題，需要定期更換濾芯。納米光催化空氣凈化技術可以直接利用包括太陽光在內的各種途徑的紫外線光，在室溫條件下就能將室內病毒、各種揮發性有機污染物光解消除。用納米尺度TiO2作為催化劑，以吸附介質為載體形成高活性TiO2催化劑膜研制成的納米光催化氧化空氣凈化器，可以在一定程度上解決室內空氣污染問題。將納米尺度TiO2做成涂料，噴涂在建筑物內墻上，可以改善室內空氣質量。采用光催化空氣凈化技術，還可以減少通過增加建筑物通風換氣帶來的能量消耗，從而達到節能的目的。

利用光催化技術進行空氣凈化，我國很多學校與研究院都對其進行了研究，在利用光催化技術進行建筑與設備方面，清華、福州、清華等高校是具有研究標志，所研究的結果已經對我國這項技術研究的空白地進行了填充。

在光催化技術凈化空氣方面，光催化空氣凈化器的研究最為活躍。日本在光催化技術的理論研究方面一直處于世界領先地位，在應用方面也取得突破性進展，產業化程度高、速度快、產品種類多（應用光催化技術的產品有數十種）。目前，僅日本就有數百家公司進行研發和生產。另外，德國、美國、韓國等國正在積極進行光催化空氣凈化器的研究。圖1為光催化空氣凈化器內部結構示意圖。

如今，中國的很多相應的廠家還是進行機械過濾、空氣的負離子感應器與活性炭的吸附生產，利用光催化方法的很少，一些產品還是存在著多多少少的質量問題。圖2，圖3是北京的工業大學研究成果。圖2展示的是空氣凈化設備放置在實驗室內，室內有濃度較低的甲醛，分別測試了室內在三種不同的狀態下甲醛的濃度轉變的情況：1）實驗艙內的空氣凈化器未啟動，甲醛濃度自然衰減；2）啟動實驗艙內空氣凈化器，過濾層和光催化層同時作用；3）將凈化器內過濾層取出，保留光催化層，啟動艙內凈化器。測試時間為30min。從圖2可以看出光催化層幾乎對甲醛沒有任何降解作用。圖3是相同的實驗艙，帶有活性炭吸附層和光催化層的某空氣凈化器放在實驗艙內，艙內有低濃度的甲醛，分別在三種情況下實測艙內甲醛濃度的變化情況：1）實驗艙內的空氣凈化器未啟動，甲醛濃度自然衰減；2）啟動實驗艙內空氣凈化器，活性炭吸附層和光催化層同時作用；3）將凈化器內活性炭吸附層取出，保留光催化層，啟動艙內凈化器。從圖3可以看出，對甲醛降解起主要作用的是活性炭吸附層，光催化層的作用微乎其微。

2 光催化技術在殺菌方面的應用

一九九七年納米二氧化鈦被涂在玻璃上，在光進行照射三小時之后，大腸桿菌就能夠完全被消滅掉，后來經過試驗，證明了納米二氧化鈦不光是對大腸桿菌有效果，對多種給菌類與藻類都能夠完全去除，不過利用二氧化鈦進行殺菌通常都是需要有光照的條件下才能展現效果。以往的無機種類的殺菌劑都包含著鋅、銅、銀等粒子，并不要通過光射來反應就能夠去除細菌，不過在去除細菌之后，會釋放出毒素，內毒素是一種能夠致命的物質，不過納米二氧化鈦就能夠將毒素全部去除。必須進行說明的就是二氧化鈦自身對各種微生物并不具有毒性，形成毒性的條件就是大面積聚集。如今北京的工業大學與新加坡名校進行合作，對這項技術進行了研究其去除塔內細胞，已經出現了效果。日本富士化水工業株式會社、國立環境研究所、成蹊大學、筑波大學正在對利用光催化技術防止冷卻塔藻類的生成和殺菌進行深入研究。

3 結束語

光催化的方法是目前我們研制出的新型能源方式，利于我國的可持續性發展，在建筑與設備之中的應用有非常廣大的平臺。這項技術在進行研究時需要運用到多種交叉性的學科內容，至如今還是有很多技術方面的問題未解決。不過只要在研究時堅持求真務實與以人為本的概念，將科技、學科知識、市場相結合，這項技術就會讓我們在居住著安全、健康、舒適的環境之下，同時大力的發展我國的建筑業。