光催化技術(shù)在溫室氣體治理上的研究發(fā)展

黃晨茜 劉文占 劉得章 王 偉

（中國建筑第二工程局有限公司，河南 鄭州450000）

溫室氣體是指任何會吸收和釋放紅外線輻射并存在大氣中的氣體，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）三類氣體造成溫室效應(yīng)的能力最強，但對全球升溫的貢獻百分比來說，二氧化碳由于含量較多，所占的比例也最大，約為55%，占比最大的二氧化碳濃度有逐年增加的趨勢。目前，地球大氣中CO2的濃度已達到370mg/L，而工業(yè)化前的水平僅為280mg/L。同時中國是非CO2溫室氣體排放最多的國家，僅2010 年排放的非CO2溫室氣體為15.87 億噸，占全球該類氣體的13.6%[1]，占當(dāng)年溫室氣體總排放的18%。

近年來，受自然界綠色植物光合作用的啟發(fā)，以CO2為原料，半導(dǎo)體材料為催化劑，在太陽光的照射下利用還原劑將CO2轉(zhuǎn)化為含碳化合物的技術(shù)備受關(guān)注。該技術(shù)在降低大氣中溫室氣體CO2的濃度的同時，生成的含碳化合物又能夠緩解日益緊張的能源危機，實現(xiàn)了能源與環(huán)境的“雙贏”。

1 光催化技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1 光催化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1.1 半導(dǎo)體材料光催化CO2技術(shù)

光催化材料可以分為：TiO2為代表的半導(dǎo)體系列光催化劑，固體化光催化劑兩種。TiO2具有廉價、無毒、光穩(wěn)定性好、容易制備等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于光催化分解H2O、光催化還原CO2和有機污染物降解。對CO2的選擇吸附性能差、光生電子- 空穴復(fù)合幾率高和光譜響應(yīng)范圍窄等因素限制了TiO2光催化CO2還原性能的提高。源于自然界綠色植物的光合作用的靈感，基于孔隙結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的硬模板和軟模板合成方法，南京大學(xué)實驗室[2]提出一種合成了分級多孔結(jié)構(gòu)的TiO2海綿和MgO-TiO2的復(fù)合材料，并應(yīng)用于光催化還原CO2。難點在于設(shè)計合成復(fù)合MgO 的光催化劑時，要選擇最佳復(fù)合量，實驗結(jié)果證明：TiO2的MgO 為最佳復(fù)合量為0.2 wt%。天津大學(xué)實驗室[3]采用溶膠- 凝膠法分別制備了Cu 和不同稀土(RE)元素?fù)诫s改性TiO2納米粉體，考察其在不同光催化還原CO2反應(yīng)條件下的催化活性，并對反應(yīng)機理進行了初步探討。

1.1.2 光催化NON-CO2技術(shù)

去除包括甲烷，一氧化二氮和消耗臭氧層的鹵化碳在內(nèi)的非二氧化碳類溫室氣體比去除大氣中的二氧化碳更快地減緩全球變暖。甲烷的光催化是將其氧化成二氧化碳，能夠有效地將全球變暖潛能（GWP）降低至少90%；一氧化二氮可通過光催化還原成氮氣和氧氣；同時鹵烴可以通過紅氧光催化反應(yīng)被鹵化物和二氧化碳礦化[4]。光催化技術(shù)避免了先將這些大氣成分分別捕獲和隔離再處理的過程。

1.2 光催化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 二氧化鈦光催化技術(shù)與太陽能煙囪發(fā)電廠相結(jié)合

De Richter R 和Ming T[4]研究團隊通過大規(guī)模的太陽光催化去除大氣中的非二氧化碳溫室氣體，該團隊提出將二氧化鈦光催化技術(shù)與太陽能煙囪發(fā)電廠（SCPPs）結(jié)合起來，以凈化大氣中的非二氧化碳溫室氣體的同時，利用可再生能源發(fā)電技術(shù)在一個包含軸流式渦輪機的太陽上升氣流塔中進行發(fā)電[6]。

SCPP-PCR 是一種負(fù)排放技術(shù)，可能有助于對抗全球變暖，通過防止或消除近1600 千克當(dāng)量二氧化碳當(dāng)量（每個200 兆瓦的電廠）來應(yīng)對氣候變化。光催化科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)應(yīng)用的進展指出了光催化降低大氣中溫室氣體的潛力，對氣候變化的影響具有積極影響。

1.2.2 中央空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化裝置

中央空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化裝置，是指與中央空調(diào)系統(tǒng)配套的空氣凈化設(shè)備，是全新的產(chǎn)品。凈化裝置可以分為三類：a.光催化與過濾、電子集塵技術(shù)組合的空氣凈化裝置；b.電子集塵凈化與活化活性炭吸附組合的空氣凈化裝置；c. 等離子體凈化與納米光催化及活性炭吸附組合的中央空調(diào)空氣凈化裝置。這三種凈化裝置主要是去除室內(nèi)空氣中的有害氣體物質(zhì)、殺滅細(xì)菌和病毒等生物污染物。

1.2.3 各類型光催化復(fù)合材料

作為半導(dǎo)體材料的納米TiO2可以在光的作用下有效降解汽車尾氣，因而在各個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在道路材料方面，國內(nèi)外學(xué)者不斷嘗試制備光催化材料，以降解汽車尾氣中的氮氧化物。納米TiO2應(yīng)用在光催化水泥基復(fù)合材料[8]、光催化涂層技術(shù)[9]以及其他各種光催化材料[10]等。

在HPC 研發(fā)的第二代光催化外墻除霾自潔涂料成功應(yīng)用于紹興鼎盛時代廣場的玻璃幕墻表面，它的出現(xiàn)不僅代表著光催化處理技術(shù)正式進入了治理玻璃幕墻污染的階段，也代表著玻璃幕墻污染的問題終將成為過去。第二代光催化外墻除霾自潔涂料涂覆于玻璃幕墻表面后，可形成一層具有自清潔和降解有機物等功能的透明膜。在光照作用下能夠產(chǎn)生滅菌抑菌、分解油污、分解污染氣體的功效，可以實現(xiàn)基材的自清潔，無需人工清洗，長期保持表面清潔。同時，產(chǎn)品還具有抗氧化、耐酸、耐堿和延長幕墻壽命等特點。

2 光催化技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

綜合前人的各項研究，我們可以匯總分析得知：光催化高新技術(shù)作為新型環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展?jié)撃芫薮螅F(xiàn)如今已經(jīng)應(yīng)用而生各種產(chǎn)品，如：光催化燈具，光催化車載凈化器，光催化噴涂劑具備的親水性，抗污性等功能，各界專家一致認(rèn)為未來城市治理PM2.5、解決溫室效應(yīng)和分解有害有毒氣體使用光催化技術(shù)勢不可擋，必將為城市披上一件“自凈的綠裝”，給人們的健康帶來福音。

3 結(jié)論

經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，光催化技術(shù)及相應(yīng)的材料方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果，光催化技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但目前光催化材料要達到高效還存在挑戰(zhàn)。人們對于光催化過程內(nèi)部機理的研究還不夠深入，開發(fā)新型高效的光催化材料時缺乏理論指導(dǎo)，因此研發(fā)高效光催化材料與其最佳使用場所勢在必行。現(xiàn)如今的光催化材料主要有以下兩點限制其發(fā)展和推廣應(yīng)用：（1）光催化劑的光轉(zhuǎn)化效率較低，并且不能在理想的時間內(nèi)保持穩(wěn)定性；（2）光催化材料的成本一直較高，阻礙了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用；（3）光催化材料在應(yīng)用時，受外界動態(tài)光照環(huán)境、應(yīng)用場所不穩(wěn)定等多方面影響，從而導(dǎo)致其性能、在應(yīng)用場所上的貼附度等發(fā)生變化，例如，選取適用在玻璃幕墻上的最佳光催化材料，現(xiàn)如今隨著時代的不斷發(fā)展，越來越多的高樓大廈采用玻璃作為幕墻，將建筑美學(xué)等因素有機地統(tǒng)一起來，建筑物隨陽光、月色、燈光的變化給人以動態(tài)的美。但玻璃幕墻相對其他基材更顯臟污，傳統(tǒng)水清洗已無法滿足其需要。因此可以將光催化技術(shù)應(yīng)用在玻璃幕墻治理上面，可以為玻璃幕墻污染治理做出貢獻。另外還可以選取適用在公路兩側(cè)隔離板上的最佳光催化材料進行研究等。

基于此，作者認(rèn)為，在光催化技術(shù)被廣泛應(yīng)用之前，以下問題需要解決：

降低光催化材料的生產(chǎn)成本；

提高光催化劑的光轉(zhuǎn)化效率以及穩(wěn)定性；

光催化材料與應(yīng)用場所的最佳耦合關(guān)系的選取。

在此綜述中，本人認(rèn)為將此作為主攻方向，通過相關(guān)系統(tǒng)的研究，可以為中國氣候條件下控制及回收溫室氣體，提供堅實的理論支撐體系。