神奇的高科技环保产品——光触媒

文/陈福民

神奇的高科技环保产品
——光触媒

文/陈福民

非典席卷全球期间，人们面对这场突如其来的灾难，纷纷采取各种手段杀菌、消毒、清洁环境。最典型的是出租车，在那段期间，所有营运的出租车除打开车窗通风外，每日都要进行一次消毒工作。而一种新款的蓝鸟轿车全面加装了一种抗菌防护罩，并经过这一技术处理后，车辆不仅不用天天消毒，而且在5年内不必再做任何消毒工作，车内空气却比车外的要更洁净、更安全。这种杀菌消毒的产品，就是异军突起的“光触媒”。

“光触媒”是什么

1967年，当时还是研究生的东京大学藤岛昭教授在指导教师本多健一的指导下做了一次试验，他对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，发现水中冒出一串串气泡，原来水被分解成了氧和氢。很快，这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，被以藤岛和他指导老师的名字命名为“本多•藤岛效果”而闻名于世。后来由于很难用这一技术在短时间内提取大量的氢气，因此在轰动一时后迅速降温。

由于这是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后来将这一现象中的氧化钛称做“光触媒”。实际上，触媒是一种化学物质，在化学上，又被叫做催化剂。触媒可以促使化学反应发生，或加速反应的速度。而光触媒就是经过光的照射，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质。以大家都耳熟能详的植物光合作用为例，在光合作用中起重要作用的叶绿素，就可以称为光触媒。

科学研究表明，光触媒最擅长处理空气中极低浓度的有害化学物质，而且本身不会释放出有害物质，因此是极优异的环境净化用触媒。在太阳光或室内荧光灯的照射下，二氧化钛吸收阳光中的紫外线后，内部电子被激发，在经与二氧化钛上的水气反应后会形成活性氧类的超氧化物和羟基原子团，氢氧自由基可针对细菌（有机物质、有机气体）做分解处理，若与紫外线相互配合更能使光触媒之活性（即分解反应）速率加倍。因此，光触媒能够促进杀菌、抗毒、除臭、油污分解，起到强大的空气净化作用。把这些机能应用到生活中，是目前研究和开发光触媒的最大目的。

于是，相隔20多年后，科学家用这一氧化分解效果来除臭而再度受到关注。此后，科学家发现，在光触媒的反应中存在“如果照射不到光线就无法产生效果的致命弱点”。为克服这一弱点，科技人员反复试验，加入原本就有杀菌作用的铜及银后，即使在光线昏暗的场所也可以保持同样效果。而且，在研究中还发现了水在氧化钛的表面扩散的亲水性能，并且发现只要加入硅就可以保持亲水效果。这样，作为抗菌瓷砖，日本东陶又推出了光触媒型产品。而且，经过科学家的反复研究，光触媒这一技术的应用范围得到不断扩大。

光触媒的神奇本领

权威部门检验显示，在我国，近九成的新车都存在车内有害气体严重超标问题，对驾乘人员的健康存在严重威胁。目前较常见的汽车净化方法有许多种，但大多属于被动保护。而“光触媒”技术却主动出击，成为细菌、霉变和废气的天敌。“光触媒”可主动净化废气，不仅效果显著，而且对人体非常安全。

2003年3月，在峻工不久的松下电工东京总公司大楼前，人们看到，成排的玻璃窗中，留有前一天大雨痕迹的玻璃和几乎没有污点的玻璃形成了鲜明对比。那些没有污点的窗户就是采用了经光触媒加工的玻璃。这种玻璃受到阳光照射后，就开始分解污垢，下雨时，雨水会将分解的污垢冲洗得一干二净，使它成为不用清洗也不会脏的神奇玻璃。

这是因为将二氧化钛经特殊处理后溅镀于玻璃上，形成薄膜，便具有防雾功能，其透明度、表面硬度与玻璃相似，更可耐400℃高温。当玻璃遇水且接受光源照射时，其表面不结水滴而形成水膜，且当玻璃干燥后不会造成水痕。而当灰尘落于经二氧化钛处理后之物体上时，只需以清水清洗便会因二氧化钛本身的亲水性，使灰尘随雨水一起脱落。光触媒的这种“自我保洁效果”非常有效，所以近几年高层建筑物在装修中相继采用了这一技术。2002年9月开业的东京“丸之内大楼”就采用了经光触媒加工的外墙瓷砖。除保洁外，这种瓷砖还可以分解大气中的有害物质——氮氧化物，其效果相当于200颗杨树。

二氧化钛的超强杀菌本领在于它经光照反应后会制造出氧化能力超强的氢氧自由基，它超强的氧化能力，可以破坏细胞的细胞膜，使细胞质流失至死亡，凝固病毒的蛋白质，抑制病毒的活性，并捕捉、杀除空气中的浮游细菌，杀菌能力达到99.997%。医学实验证明，它可杀除大肠杆菌、绿脓菌、葡萄球菌、霉菌、化脓菌、白癣菌、徽菌等等；可分解空气中过敏原、减少过敏性疾病及气喘，亦可分解徽菌；可改善香港脚情形，甚至痊愈，且不伤皮肤。因此，在医药上已用来制造内服用胃药，还利用光化学法生产抗癌药。在医院里，光触媒还能有效地抑制病房症候群，对病床、医疗器械等有效地杀菌消毒，不会遗留下具有抗药性的细菌。同时，二氧化钛受光后生成的氢氧自由基能加快有机物质、气体的分解，提高空气清净效率，从而起到脱臭的功效。据欧美国家权威机构试验室测试，每平方公分的光触媒与其他脱臭物质相比，脱臭能力为高性能纤维活性碳的150倍，相当于500个活性碳冰箱除臭剂的功效。

作为食品和药品的添加剂，美国FDA食品检验中心曾做过认定，二氧化钛对人体决无伤害。因而光触媒在解决室内污染的同时，还可被广泛采用在食品、日常生活用品、化妆品、医药、养殖业中，可最大限度保证人体健康。其氧化分解能力比碳纤维、臭氧更强。由于它只是提供了反应的场所，并不参与化学反应，所以它的作用效果持久。

光触媒是一种国际新兴的先进环保科技产品，无毒无害，使用简单，用途广泛。只要喷涂在室内外墙面上，即可持久发挥作用。目前，光触媒已应用于医疗防护用品(如口罩、隔离衣等)、抗菌瓷砖、洁具、环保空调、环保灯具等方面。有关专家相信在不久的将来，光触媒会在我国的各个领域发挥出广泛而卓越的环保作用。

引入纳米技术的变化

光触谋防真花

在开发应用光触媒反应的产品时，如何缩小氧化钛薄膜的厚度并做涂层处理是其中的一大难题。这一薄膜越厚，催化剂的效果就越高，但如果厚度越薄，越接近于透明，产品的外观评价就会越高，两者互相矛盾。

就拿用于建筑的光触媒瓷砖来说，要想同时实现美观和防污效果，就必须开发无色透明的薄膜涂层技术。在瓷砖上形成薄膜时，向表面涂布包含透明的釉和氧化钛的液体原料。目前，日本东陶开发的技术是：在大约800度的高温中烧制瓷砖，并覆盖厚度200纳米（1纳米为10亿分之1米）的高硬度氧化钛膜。

日本科学家在开发光触媒玻璃中，对向液体原料加入树脂的配合比率、氧化钛膜镀在玻璃上时的温度以及时机等细节上展开了进一步的研发。在此基础上，为了均匀涂布一定量的液体原料，改进了机械的喷嘴部分，成功地形成了厚100纳米的薄膜。他们为光触媒产品同时实现美观和耐久性能作出了努力，并开发出了预期效果的新产品。

东陶公司在率先投产了光触媒瓷砖后，在将这一技术应用于玻璃中时采用了更为严格的条件。该公司的目标是，通过玻璃表面的氧化钛膜防止光的折射。但要想在不损害耐久性能及原有效果的同时，防止光的折射及反射，就必须将膜厚控制在20纳米以下，并实现均匀涂布。

因此，该公司使用5～10纳米的细微氧化钛粒子开发出了通过滚轴状的材料将膜粘贴在玻璃上的薄膜形成法。由此，不仅实现了膜厚目标，而且耐久性能也提高了一倍。要想进一步提高耐久性能，就必须制作进一步提高氧化钛粒子密度的薄膜。为了实现这一目标，科学家致力于进一步开发纳米级别的涂层技术。

目前，这些瓷砖及玻璃的价格要比普通产品高出2成左右。虽然也有人认为，如果考虑墙壁及窗户的保洁成本，5年左右就可以补回差价，但是由于尚未完全证实与价格相当的性能，它的市场并不像想象的那么好。

然而，众多建材业界的相关人士认为，今后市场肯定会因效果明显的自我保洁用途而不断扩大。

随着高科技的发展，科学家正在创造一种新的光触媒，那就是在室内微弱的紫外线下也能发生反应的光触媒，叫做“可视光应答型光触媒”。这种可视光应答型光触媒是在原有的氧化钛中采取了促进紫外线吸收的表面处理等措施，即使在室内光线下也可以进行反应。从2001年开始，已有多家制造商开始投入使用，有的甚至应用在了内部装修材料中。这些产品不仅可净化室内空气，还可消除导致出现办公室症候群的有害物质——甲醛。在日本，目前正在推进通过组合氧化钛与在表面凿有1～10纳米的细微洞孔的陶瓷来提高吸收有害物质的研究。

光触媒有望使用于环境净化用途，比如分解土壤中的有害物质或改善河流水质等。科学家还有这样一种构想，即通过组合只对特定物质产生反应的抗体和氧化钛，只吸附和分解有害物质。如果将组合抗体和氧化钛的这一催化剂制作成数百纳米左右的胶囊状产品，就可以使用于水和土壤的净化用途。然后回收吸附有害物质的胶囊，在其它场所进行处理。

因此，光触媒是一种能够解决环境问题的、潜力巨大的基础技术。