光催化納米材料在環境保護中的應用現狀

文_齊海浪 廣東省建筑設計研究院

光催化技術，是指在特定波長光源照射下，光催化納米顆粒與水體、空氣中的氧元素結合后發生氧化還原反應。在室溫條件下，利用光催化技術可以光解、消除有機污染物和部分無機污染物。光催化反應一方面可直接破壞細菌微生物的細胞壁，另一方面將污染物降解為無毒無害物質，從而實現污染治理目標。下文將結合實踐，探討光催化納米材料在環境保護中的應用現狀。

1 光催化納米材料在環境保護中的應用

1.1 大氣治理

大氣中的有害氣體，常見如CO、SO2、NOx等，不僅是造成酸雨、光化學煙霧、溫室效應的罪魁禍首，還直接危害人體的健康。利用光催化納米材料，可對低濃度有害氣體進行降解；配合過濾技術，還能凈化空氣。現有研究發現，可在載體表面涂抹TiO2材料，對有害氣體進行吸附，并轉化為無害氣體。研究表明，在TiO2材料中摻雜WO3，能提高催化劑的活性，用于空調制作，可以殺菌、凈化空氣。此外，使用紫外光照射TiO2材料，可降低室內甲醛、乙醛的濃度。但是，該材料只能處理低濃度的有害氣體，在高濃度氣體中，催化活性會不斷降低，直至完全失活。

1.2 水污染治理

第一，無機廢水處理。在光催化納米材料的表面，無機物的光化學活性強，材料經激發后，會氧化低氧化態的有毒無機物，還原高氧化態的有毒無機物，從而降解無機污染。在這個過程中，由于水體中的重金屬種類多，且部分重金屬具有回收價值，利用TiO2材料可以吸附汞、銀等離子，實現重金屬的回收再利用。

第二，有機廢水處理。根據有機廢水的分類，將光催化納米材料的應用歸納總結為5類：①農藥廢水。以含硫農藥為例，將TiO2和SnO2復合使用，發生氧化反應后可實現降解效果。②化工廢水。化工廢水中的污染物較多，例如甲醇、乙醇、苯類、乙烯基二胺、苯甲酸等。利用TiO2材料，可以快速降解，消除污染物的危害。結合實踐，將人工采光技術、TiO2材料相結合，可將多氯聯苯物質降解為CO2和H2O。③含油廢水。石油開采和運輸期間，含油廢水會污染海域環境，利用TiO2材料可以降解油污。具體應用中，先在空心玻璃球載體中，采用浸涂-熱處理法制備TiO2；然后依照相關規定，控制負載量和晶型，利用此催化劑可以對水體表面的浮油進行降解。④印染廢水。印染廢水中的有害物質主要是苯環、胺基。在溶解氧條件下，利用TiO2材料可將上述污染物轉化為礦化有機物，期間不會出現二次污染。⑤造紙廢水。造紙廢水中的總碳含量高，利用光沉積法制備的催化劑（RU/TiO2），有機總碳的去除率達到99.6%以上，實現廢水脫色的目標。

第三，自來水凈化。自來水是從地表和地下水源獲得，凈化時的重點是清除懸浮物，但細菌、膠體物質的降解不完全。利用TiO2材料，不僅能降解有機物、無機物，還能進行殺菌。現有研究表明，可以使用玻璃纖維網固定TiO2材料，形成催化膜后，直接對自來水進行凈化，有機物的去除率能達到60%以上。

1.3 噪音控制

隨著經濟社會快速發展，人們的交通出行需求逐年增加，車輛、船舶、飛機等交通工具在行駛中，發動機產生的噪音大。人們長期處于噪音環境下，會危害身心健康，尤其是損傷神經系統功能。對此，利用TiO2材料制作潤滑劑，可在發動機的表面形成永久固態膜，既能提高潤滑效果，又能降低噪音，延長發動機的壽命。

1.4 其它領域

第一，消毒殺菌劑。常見的消毒殺菌劑中，含有Cu2+、Ag+等離子，能促使細菌失活。但是，細菌死亡后，有毒組分會釋放出來，因此殺菌效果不徹底。基于光照條件下，利用TiO2材料會發生光化學氧化反應，降低生物體輔酶活性，不僅能殺死細菌，還能分解細菌死后釋放的內毒素，實現徹底殺菌。現有研究表明，可在陶瓷表面涂抹TiO2漿料，高溫煅燒后可形成光催化薄膜，將其用在衛生間等部位，可以凈化空氣、消毒殺菌。

第二，清潔涂料。光催化納米材料能處理化纖，提高化纖的雙親性，即親水性和疏水性。用于制作衣服、窗簾等，具有良好的自清潔能力。一方面，可減少化學洗滌劑的用量；另一方面，能減少污水的排放。

第三，包裝材料。食品在陽光的直接照射下，加快食物變質速度。在包裝材料中，加入0.1%～0.5%的TiO2材料，可以阻擋紫外光對食品的破壞，從而保持食品的新鮮度。此外，TiO2材料自身的抗菌效果顯著，果蔬采摘后會累積乙烯，兩者結合后能將乙烯分解為CO2和H2O，從而實現保鮮效果。

2 影響光催化納米材料活性的因素

2.1 半導體能帶位置

半導體的帶隙寬度，決定了光學吸收能力，半導體的能帶位置、被吸附物質的氧化還原性，直接影響光催化反應結果。一般情況下，價帶頂（valence band top, VBT）越正，空穴的氧化能力越強；導帶底（conduction band bottom, CBB）越負，電子的還原能力越強。價帶、導帶的離域性越好，空穴或電子的遷移能力越強，有利于氧化還原反應發生。

2.2 電子和空穴的作用

在光激發下，電子和空穴的變化途徑多樣，主要分為分離、復合兩種。催化反應過程中，如果缺少合適的捕獲劑，電子和空穴分離后，會在半導體粒子的表面或內部放出熱量。簡單來說，該捕獲劑就是吸附在光催化劑表面的氧，既能抑制電子和空穴復合，也可以對羥基產物進行氧化。

2.3 晶體結構

實踐證實，晶體結構也會影響半導體的光催化活性，以TiO2材料為例，主要分為兩種結構，一是金紅石，二是銳鈦礦。兩者的共同點，是均能利用TiO6八面體表示；不同點則是連接方式、畸變程度有差異。由于銳鈦礦的質量密度低于金紅石，且帶間隙大于金紅石，因此光催化性能優于金紅石。

2.4 比表面積

在多項催化反應中，如果反應物充足，催化劑表面的活性中心密度不變時，其比表面積越大，催化活性越強。通過比表面積，決定了基質吸附量，隨著比表面積增大，其吸附量增強，因此催化活性增高。而在實際應用中，對催化劑的熱處理不當，催化劑可能存在多個復合中心，就會削弱活性。

2.5 晶粒大小

相比于普通粒子，半導體納米顆粒的光催化性更強，分析其原因如下：①納米粒子具有量子尺寸效應，電子—空穴的氧化還原能力更強，半導體的催化氧化活性增強；②納米離子的表面積大，提高了污染物吸附能力，尤其是反應活性點增多；③半導體納米粒子的粒徑，一般小于空間電荷層的厚度，因此相關影響可以忽略。光生載流子從離子內部遷移到外表面，會和電子的受體、給體發生氧化還原反應，繼而增強催化活性。

3 提高光催化納米材料催化活性的方法

除了TiO2以外，ZnO也是一種常用的光催化納米材料，在實際應用中，提高催化活性的方法如下。

3.1 摻雜陰陽離子

以C4-、S2-、N3-等陰離子為例，摻雜在ZnO中可以提高催化性能。國內學者研究稱：制備ZnO時摻雜N，在可見光下ZnO對雙酚的催化性增強，帶隙寬度變窄。而在陽離子方面，Na+、K+、Cu2+、Mg2+等離子的摻雜，也能提高光催化性能。國外學者研究稱：在ZnO表面覆蓋一層Ag，可以改變ZnO結構的禁帶寬度，當Ag摻雜濃度為4.14%時，禁帶寬度減小至3eV，從而提高光催化性能。

3.2 半導體異質結

利用半導體和ZnO形成異質結，也能提高催化性能。以CdO為例，CdO和ZnO形成異質結納米線，經可見光照射，其催化效率明顯提升。分析其原因，是異質結的禁帶寬度為2.5eV，隨著CdO成分增加，催化劑吸收可見光的能力增強，催化分解率不斷增高，最大值為75%。

3.3 貴金屬修飾

采用貴金屬進行修飾，也是提高催化性能的有效手段，常見如Pt、Ag、Au等。以Ag為例，有學者采用水熱合成法、電紡絲法，利用Ag修飾ZnO，觀察亞甲基藍的退化特點。結果顯示：Ag—ZnO納米材料的光催化性提高，且光吸收能力增強，抗菌作用更加突出。

4 結語

光催化技術無毒無害，不僅穩定性強，而且不會造成二次污染。文中以TiO2為例，介紹了在大氣治理、水污染治理、噪音控制等方面的應用。根據影響催化活性的因素，總結出通過摻雜陰陽離子，形成半導體異質結，或利用貴金屬修飾，能提高材料的光催化性能，最終發揮出環境保護的潛力。