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        光觸媒材料

        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體材料的總稱,它涂布于基材表面,在紫外光及可見光的作用下,產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,并能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理;同時還具備除甲醛、除臭、抗污、凈化空氣等功能。

        研究發現

        1967年,日本東京大學的本多建一教授和博士班學生藤島昭發現,用光照射二氧化鈦電極可進行水的電解反應。這就是著名的“本多作用的光催化反應,將空氣中的水或氧氣催化成氧化能力的羥基自由基(·OH)和超氧陰離子自由基(O2·)、活性氧(HO2·,H2O2)等具有氧化能力的光生活性基團,這些光生活性基團的能量相當于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定化學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載體。

        2015年4月,日本研發最新的光觸媒凈水技術,可望為全球28億人解渴。日本松下公司正開發一種新型光觸媒粒子,可望解決水不足問題。該粒子是由沸石粒子與二氧化鈦微粒所構成,在紫外線照射下充分混合于污水中,可使污水凈化成可飲用的程度。新型光觸媒凈水設備相當簡便,且1天可凈化高達3噸的水,可供應相當于印度20戶家庭的每日用水,而凈化每噸水所需費用約為500日元,約人民幣26元。

        2002年,光觸媒傳入中國。

        此技術是將特殊光觸媒粉末倒入污水中,照射紫外線即可分解水中有毒金屬,凈化成飲用水,此技術也可用于整治受污染河川,且對環境生態無害。

        材料

        光觸媒材料主要有納米TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2等,2000年以來又發現一些納米貴金屬(鉑、銠、鈀等)具有更好的光催化性能,但由于其中大多數易發生化學或光化學腐蝕,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。

        納米二氧化鈦(TiO2)是一種半導體,主要有銳鈦型(Anatase),金紅石型(Rutile)及板鈦型(Brookite)三種晶體結構,其中:板鈦型晶體穩定性差,一般認為不具備光催化活性。

        金紅石型晶體具有比銳鈦型晶體更強的光催化性能,耐候性和附著性也很好,納米無機包覆穩定,市場價格高于銳鈦型晶體。

        納米氧化鋅(ZnO)粒徑介于1-100nm之間,是一種面向21世紀的新型高功能精細無機產品,表現出許多特殊的性質,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、國防工業領域具有廣泛的應用。

        納米二氧化鋯(ZrO?)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。有良好的熱化學穩定性、高溫導電性和較高的高溫強度和韌性,具有良好的機械、熱學、電學、光學性質。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構陶瓷,以及寶石材料。

        性能

        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。

        持續性

        在環境污染不嚴重的條件下,只要不磨損、不剝落,光觸媒本身不會發生變化和損耗,在光的照射下可以持續不斷的凈化污染物,具有時間持久、持續作用的優點。

        但如果環境污染比較嚴重時,一些硫酸根和硝酸根離子會影響光觸媒的壽命和效果,會出現失活現象,可以通過相關技術工藝恢復活性。

        安全性

        研究者動物實驗表明對實驗動物的肝、肺、心臟、腎等器官有生物毒性。

        納米二氧化鈦可能對人體有害可通過下面途徑進入人體:一、通過呼吸系統;二、通過皮膚接觸;三、其他方式,如食用、注射之類。納米材料污染物通過上述途徑進入人體,與體內細胞起反應,會引起發炎、病變等;污染物在人體組織內停留也可能引起病變,如停留在肺部的石棉纖維會導致肺部纖維化。

        2018年1月24日,歐盟委員會(EC)消費者安全科學委員會(SCCS)發布文件,宣布對于二氧化鈦(納米形式)作為紫外線(UV)過濾組分的應用安全性研究結果依然存疑,在防曬和個人護理用噴霧型產品中用作紫外線過濾劑時,納米鈦白粉的安全性問題依然沒有得到解決,SCCS警告說,對于市場上已有的含有納米鈦白粉的噴霧型產品,“這種使用需要仔細評估,以避免通過吸入消費者的肺部接觸造成有害影響的可能性”。

        2007年中國河北承德的一家印刷廠7名女工2名死亡的案例,引起了一場關于納米疾病的探討并引起了學界的廣泛爭論。

        2007年1月到2008年4月間,一家印刷廠制版車間的7名女工因呼吸困難,陸續被送進朝陽醫院治療。經檢查,患者心臟和肺部有嚴重的胸腔變色積液和胸膜異物肉芽腫。其中2人后因胸腔積液惡化,經搶救無效死于呼吸衰竭。經過治療,另5名女工病情趨穩,但肺纖維化的過程無法逆轉,盡管她們已停止工作。

        為弄清病因,醫生用電子顯微鏡對死者的肺部積液和組織切片進行觀察,在肺部上皮細胞中發現了直徑約30納米的微小顆粒。隨后的現場調查發現,制版車間內的粉塵和聚丙烯酸酯涂料中含有類似顆粒物。

        盡管納米顆粒對于人體的致病機制尚未有明確報道,但已有動物實驗提示,納米顆粒能直接對生物體造成損傷。因此,女工們罹患的更像是一種“納米物質相關疾病”。

        特征

        光波吸收

        純凈的納米二氧化鈦粉末,只能吸收400nm以下的紫外光,在自然環境下,紫外光占有比例較低,不足自然光的10%,因而純凈的納米二氧化鈦基本沒有光觸媒的功效。

        所以,為使二氧化鈦可以吸收可見光,甚至吸收遠紅外光,必須采用特殊材料的配制摻雜技術。

        比如采用固相合成、過渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機絡合物、表面敏化、半導體復合等多種方法,對光觸媒進行可見光誘導。2000年以來,還發現納米貴金屬(鉑、銠、鈀等)與光觸媒材料進行配位螯合后,會極大提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新復合,從而進一步拓寬了二氧化鈦的光波吸收范圍,這些納米貴金屬也被稱為“光觸媒的維生素”。日本汽車尾氣凈化裝置已大量使用納米貴金屬制成的催化劑。

        純凈光觸媒技術只能在紫外光下作用,這已經是2000年前的技術了。21世紀國際光觸媒技術的發展方向是化學配位鍵螯合功能元素摻雜技術,使用這種技術可以極大增強光觸媒材料的光催化協同效應,從而可以吸收可見光,甚至可以吸收遠紅外光。

        2003年,中國首先發明遠紅外光觸媒技術,標志著在光觸媒的光波吸收技術上,已經超出世界水平。

        耐候性

        光觸媒產品經受氣候的考驗,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,除了能發生光催化反應外,還會發生光化學活性反應,這種光化學活性反應是由光觸媒內在晶格缺陷引起的,這種反應會釋放新生態氧[O],新生態氧通過物質遷移,與光觸媒本身及家具表面材料進行反應,會導致物質有機聚合物氧化、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活性反應問題。

        由上兩條可知,將光觸媒產品是否純凈,是否含有分散劑作為評價光觸媒性能是否優劣的標準是不科學的。

        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。

        有效濃度

        光觸媒本身是一種催化劑,不直接參與降解反應,它通過吸收光能把水或氧氣轉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部,就算濃度再高,又有什么意義呢?

        在噴涂產品中,有效接觸濃度不僅與溶液中光觸媒濃度有關,而且與噴涂工具、噴涂手法等現場工藝有關。另外,與產品附著性也直接相關,如果干燥后出現大量剝落,就算初始“濃度”再高,又有什么意義?

        而且一般光催化反應都是多相光催化過程,反應過程都在界面發生。光催化反應效率由催化劑自身的量子效率和反應過程條件兩個方面決定。光催化材料表面的微觀結構也很重要,它直接影響了光催化反應的效率。好的光催化材料微觀表面應該是粗糙的、凹凸不平的(以原子力顯微鏡微觀結構照片為準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,產生納米界面材料的二元協同效應進而增強降解凈化能力。

        納米細度

        根據不同光觸媒材質不同而不同,一般認為,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,當然,螯合越多,光波吸收范圍也越寬,螯合型光觸媒產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。故優質光觸媒一般納米細度均為5~10納米。

        負氧離子

        光觸媒在進行光催化反應的時候,會產生超氧陰離子自由基(O2·),伴生負氧離子。

        但可以達到最佳的負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,才可全天候釋放負氧離子。

        主要功能

        光觸媒(納米除醛酶)作為新興的空氣凈化產品,越來越多的應用于車內的空氣凈化,主要有以下功能:

        空氣凈化

        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。

        負氧離子

        釋放負氧離子,中科院理化技術研究所對國內某光觸媒進行檢測后發現,使用優質遠紅外光觸媒噴涂100平米建筑面積的房間,相當于種了25棵白樺樹的凈化效果。

        殺菌

        對大腸桿菌、金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合物。

        除臭

        對香煙臭、廁所臭、垃圾臭、動物臭等具有除臭功效。

        防污

        防止油污、灰塵等產生。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象同樣具有防止其產生的功效。

        凈化

        具有水污染的凈化及水中有機有害物質的凈化功能,且表面具有超親水性,有防霧、易洗、易干的效能。

        應用

        紡織品

        紡織品或多或少都含有微量的甲醛或者其它有害物質,經過光觸媒處理后的紡織品不僅可以有效的降低甲醛等有害物質的含量,而且紡織品在使用過程中也容易清洗。

        地板

        傳統地板精油只是養護地板的作用,而通過添加光觸媒,制作成光觸媒木質精油,實現了對地板保養的同時,還起到凈化空氣除甲醛的作用,尤其是地板見光性好,光觸媒作用更強。

        陶瓷衛浴

        陶瓷、衛浴在給人們帶來生活便利的同時,也附帶產生了一個問題——衛生清潔,這是一直以來困擾了人們的問題,尤其是馬桶,洗漱盆等,長期使用后都會產生一定的異味或者污垢,普通清潔有很難去除,在經過多年實踐應用后,光觸媒被很好的融合到了陶瓷、衛浴的生產工藝,通過在陶瓷表面負載一層光觸媒,不僅易于清潔,而且還有助于分解異味,防止污垢附著,極大的提高了陶瓷產品的清潔容易度。

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