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光触媒技术与纳米二氧化钛

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光触媒技术与纳米二氧化钛
作者:hansel来源:智美优品官网发布时间: 2017-11-03

导语:触媒是一个完整的词汇,其实就是日文当中催化剂的写法,光触媒这个东西正常的中文表述是光催化剂,如果是靠谱的光催化剂,那么在含有紫外光波段及近紫外段可见光的光线照射下,是可以有效分解各种大分子气体的,分解最终产物通常是二氧化碳和水,而且是几乎无差别分解。核心成分是纳米二氧化钛,平均粒径要达到起码10纳米以内,好的通常在5纳米左右,因为粒径越小,比表面积越大,反应越密集有效。

触媒是一个完整的词汇,其实就是日文当中催化剂的写法,光触媒这个东西正常的中文表述是光催化剂,如果是靠谱的光催化剂,那么在含有紫外光波段及近紫外段可见光的光线照射下,是可以有效分解各种大分子气体的,分解最终产物通常是二氧化碳和水,而且是几乎无差别分解。

最近因为想增加一个光触媒相关的项目,从出院到今天大概一个月的时间一直在研究这个东西,查阅了包括国内,台湾和日本相关科研论文近两百篇,得出一个结论——光触媒真的是非常非常完美的一种存在。
当然,前提是你拿到的是确实有效的产品。而这个前提,在目前国内,实现起来非常困难。
那么一个有效的光触媒产品,它的核心成分和作用原理是怎样的呢?我是理论物理专业的,化学非常差,停留在一般高中生水准,就我对化学恶补之后对大量论文研究的结果看来,它简单的说起来是这么回事的:
——科技史上震惊世界的光催化剂(Photocatalyst)效应,又称“本多—藤岛效应”,由日本的本多健一和藤岛昭两位学者发现。1967年本多健一教授和他的研究生藤岛昭在做金属的光合作用时发现, 用二氧化钛和白金作电极,放在水里,用光照射,即使不通电,也能够把水分解成氧气和氢气。现任东京大学教授的藤岛昭回忆说,他在观察到这一现象时,激动和兴奋得睡不着觉。植物的光合作用竟能在金属里如此简单地再现出来。利用阳光就可以大量产生清洁的氢能,这是多么有价值的技术!1967年他们联合发表了关于二氧化钛的氧化分解功能的论文,从此光催化剂效应便被称为“本多—藤岛效应”。但当时TiO2的光催化效率低,这项研究成果被搁置起来。90年代中期,现代研究已经了解,TiO2在受到阳光或荧火灯的紫外线照射后,内部电子——空穴对激励,产生具有强氧化分解活性氢氧(羟)基原子团。在光的作用下 可降解几乎所有的附着在氧化钛表面的各种有机物,如氢化物、氮氧化物、硫化物。但当时TiO2光催化剂的研究处于室验室阶段,一直制约了TiO2光催化性的活性增强。有关专家学者希望找到一种类似激光调光学倍频材料,将可见光、红外光变频一直是研究热点,也是多年来不能实用的根本矛盾所在。但随着纳米技术的发展,1999年由于纳米技术得到了突破性进展,TiO2(锐钛矿型)在纳米尺度下禁带宽度得到满足,从而根本解决了TiO2催化剂活性增强的问题。光催化剂终于正式登上了国际研究舞台。以日本,德国为首的世界经济科技强国投入了大量资源对这个领域进行研究。截至到2004年,联合国“未来太阳能利用”计划、美国的“星球大战”计划、日本“创造科学技术推进事业”计划、西欧“尤里卡”计划、以及我国的“纳米科学攀登”计划、“863”计划、“973”计划都将它列入重点研究开发计划。在这门学科上,全球的投入不下近百亿美元,而日本著名的东陶(TOTO)更是斥资2亿美元进行专利布局以期获得日本市场的领导地位。这样一个全世界科学家都为之奋斗的科学领域,发展至今日,终于走出常人可望而不可即的高科技应用领域,在日常应用领域方面也取得多方面的重大技术突破,2001年,光催化技术相关产品正式进入家庭日常生活,并在短短的半年时间,迅速席卷欧美及东南亚发达国家和地区,成为家庭重要消费产品之一,而且奇迹般的以年平均4.6%的速度递增。
就是说,这个东西不是忽悠出来的,它是化学史上的一个比较重要的发现,虽然最早发现这种东西的不是本多健一和藤岛昭,但是目前大家都默认这样描述了,我就不改了。一个可以用于有害空气治理的有效的光触媒产品,在目前的科技水平来说,它需要具备以下几种要素:
首先,核心成分是纳米二氧化钛,晶相为锐钛矿相。注意,金红石相和板钛矿相(或说无定型)不是理想的基材,特别是板钛矿相,那是完全不会有用的,原理在于晶格结构的不同,这里不做赘述。
其次,平均粒径要达到起码10纳米以内,好的通常在5纳米左右,因为粒径越小,比表面积越大,反应越密集有效。反之则反之。
再次,分散技术。因为纳米胶体容易发生团聚,一旦大量团聚,粒径的描述就不在有意义,活性几乎全失。
再再次,附着能力。光触媒这个东西,作为催化剂,具备众所周知的催化剂的一个伟大特性,那就是几乎永无损耗,那么理论上来讲,一次喷涂,终身有效,说可以传世也不为过,不过前提是它要还存在在那里,如果不能牢固的附着在家具或者墙壁或者任何别的什么你家里的古怪东西表面的话——你擦擦桌子它就脱落了的话——那是没有用的。
最后,它的光敏化技术要到位,一般的光触媒只能在紫外光波长以内发生反应,这也是不行的,因为日光只含有3%的紫外光,而节能灯,因为他们的发光机理我们不难知道,大多数的节能灯都几乎不含有紫外波段的光。那么一个光敏化技术不到位的不能在部分可见光起码400——500纳米波段的光之下反应的光触媒——即使它别的指标再好,对有害气体的防护效果也是无法值回票价的。
呐,产品要满足的关键要素就是以上几点了,接下来我们来看看光照到它上面之后发生了一些什么样的有意思的事情,换句话说,它为什么是有效的,不是忽悠人的:
补充对反应机理的文字描述:(不是完全涵盖的,一些专著上有更详尽和准确的描述,这个仅供参考。)
光催化剂一经光照,原料中二氧化钛的电子便会从价电带跃迁至导电带,在光触媒表面形成电子(e-)电洞(h+)对,带负电的电子与氧结合产生负氧离子(O2- ),带正电的电洞与水结合产氢氧自由基(.OH),这两者在化学上都是极不稳定的物质,当有机物质(碳氢化合物)接触到光触媒表面时,便会分别和负氧离子及氢氧自由基结合,重新组合成二氧化碳(CO2)和水(H2O)。 这一连串的反应,化学上称为「氧化还原反应」。
透过氧化还原反应,当将光催化剂应用在生活、工作空间中时,便能有效分解气味分子和细菌、病毒等微生物,达到洁净室内环境、创造清新空气的效果,因此近十年来在日本,光催化剂已被广泛应用于居家环境和医疗院所中,此外经光催化剂加工的各类产品也成为医疗院所的最新选择。
那么如果喷涂了一个有用的光触媒产品,它有什么效果呢?
1空气净化
产品核心成分锐钛矿相纳米TiO2受光后生成氢氧自由基,与空气中有机物质反应后既生成无毒的无机物, 高效分解甲醛、苯、氨气等,将其转化成 CO2 和H2O, 氧化去除大气中的氮氧化物、硫化物, 以及各类臭气等, 起到空气净化作用。TiO2在紫外光及500NM波长以下可见光激发条件下就可高效降解有害气体, 对室内主要的气体污染物甲醛、苯系物等的研究结果表明,本产品可有效地降解这些有机物, 净化空气。
2除臭
光催化剂对香烟臭、厕所臭、垃圾臭、动物臭等具有明显的除臭功效。其脱臭能力根据欧美国家权威实验室测试, 1cm2的光催化剂与高性能纤维活性碳比较, 其脱臭能力为后者的 150 倍,相当于 500 个活性碳冰箱除臭剂,且无二次公害。
3杀菌
光催化剂的超强氧化能力可破坏空气中细菌的细胞膜, 使细菌质流失至死亡, 凝固病毒的蛋白质,抑制病毒的活性, 对浮游于空气中的大肠杆菌、黄色葡萄球菌等具有杀菌功效,其能力高达99. 997%。且对于引发90%的气喘、过敏性疾病的罪魁祸首尘螨, 可完全除去。而且在杀菌的同时还能彻底分解由细菌尸体上释放出的有害复合物,这是所有杀菌剂都无法做到的。但TiO2微粒本身对微生物和细胞无毒性,已经被FDA认证,可作为食品添加剂使用。
4 防霉、防污
防止油污、灰尘等产生。霉菌、黄碱及铁锈和涂染面褪色等现象, 同样具有防止其产生的功效。
5 净化
具有水污染的净化及水中有机有害物质的净化功能,且表面具有超亲水性,有防雾、易洗、易干的效能。
6 抗紫外线
由于光催化剂具有极强紫外线吸收能力, 并将这种光能转化为化学能, 因而, 具有抗紫外及防止褪色、老化等功能。
 
在日本,很多营业用车辆每月都要进行一次消毒工作 ,但是凡使用纳米二氧化钛光催化剂处理后的车辆,在5年内不必再做任何消毒工作。目前日本已有超过两万辆的汽车接受过光催化剂处理。新车出厂前使用光催化剂处理,可以有效除去新车刺鼻的味道及毒性,大大提高驾驶感受和健康保障。日产汽车的cima以及丰田汽车的carolla,其侧视镜就经过了二氧化钦处理,具有特殊的防雾功能 。
 
简单的说,它有很多效果,而且都是真实的。
 
最后我们再来说说那些富有中国特色的五花八门的触媒们,直接复制粘贴:
 
浅论冷触媒,空气触媒,暗触媒
 
随着光触媒这个新产品在中国市场逐渐升温,越来越多的人投入到这个领域中来,但是由于这个陌生的领域对大多数人来说太不可思议了,很多人对光触媒,纳米光触媒缺乏必要的了解。在纳米时代这个巨大的商机面前我们也发现有不少投机分子进入了这个领域,利用人们的不甚了解鱼目混珠。
 在光触媒流行一段时间之后,市面上出现了冷触媒,空气触媒,暗触媒,风触媒等各类触媒,都号称自己的产品是光触媒的替代产品,是国际最新的产品,具有全世界领先的水准,那么这些产品与光触媒的关系到底是什么呢?
 首先,我们要注意的是光触媒并非简单的一种产品,其实它是一个行业,一个学科,一个科学领域。从上个世纪70年代起,以日本,德国为首的世界经济科技强国投入了大量资源对这个领域进行研究。截至到2004年,联合国“未来太阳能利用”计划、美国的“星球大战”计划、日本“创造科学技术推进事业”计划、西欧“尤里卡”计划、以及我国的“纳米科学攀登”计划、“863”计划、“973”计划都将它列入重点研究开发计划。那么这样一门学科,全球的投入不下近百亿美元,而日本著名的东陶(TOTO)更是斥资2亿美元进行专利布局以期获得日本市场的领导地位。这样一个全世界科学家都为之奋斗的科学领域,我们很难想象为什么到了中国,随便一个注册资金不过百万人民币的小贸易公司都轻易的说一句,光触媒已经被淘汰了,我这个XX触媒是目前国际上最好的,不要光就能有完美的效果。我们注意到,光触媒的原理是利用光能转换成化学能进行,所以完全符合能量守恒的规律,其实是在太阳能或者电能利用的框架中的。那么所谓的冷触媒,空气触媒,暗触媒,风触媒又是什么来提供能量的呢?我们可以检索中国科技期刊文库,其中可以找到大量的光触媒的研究报告,但是冷触媒,空气触媒,暗触媒和风触媒的结果是空。而在google日本做相关的检索,也可以发现冷触媒,空气触媒,暗触媒 大都是出现在中国某公司的网站上,中国国家图书馆日文期刊检索也无法找到相关内容。因此我们很难想象就算这项技术是某个企业自主开发的,在这样单薄的技术背景下,它凭什么超越一门发展了30年的成熟技术。下面我们来一一分析这些特殊的“触媒”。
成分
首先,这些触媒几乎无一例外的都说自己的主要的成分是二氧化钛,我们知道二氧化钛是目前光触媒领域的明星材料。可能很多人会将它和光触媒混淆,可能正是这个原因,这些比光触媒牛百倍的触媒都选择了这个成分作为自己的主要成分。到目前为止,二氧化钛的学术研究没有任何人把研究归入以上这些触媒们中。
原理
光触媒的工作原理,从理论体系计算模型一直到实验室验证都有大量翔实的数据和内容,但是反观这些其他的触媒们,我们很难看到能够自圆其说的理论模型。空气触媒是依靠空气么?如果依靠空气的能量为真,那么到底是空气中的哪种成分?由于催化剂的永久性,空气触媒是否会在未来的某一天破坏我们的大气圈呢?冷触媒是依靠什么呢?是指在低温下就可以反应?可是现在的常温光触媒早已经面世了,是指低温提供能量?更加不可思议了,一般情况低温的能量总是更低的,可能是我们孤陋寡闻。暗触媒号称不需要阳光可以分解污染物,更加厉害了,这个什么都不需要,还强调暗就是说,我不是要光才能工作而是不要光才能工作?原理上的疑惑可能还要相关的技术人员来解释一下吧,不能让消费者在云里雾里吧。

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