光催化纳米材料在环境保护中的应用现状

文_齐海浪 广东省建筑设计研究院

光催化技术，是指在特定波长光源照射下，光催化纳米颗粒与水体、空气中的氧元素结合后发生氧化还原反应。在室温条件下，利用光催化技术可以光解、消除有机污染物和部分无机污染物。光催化反应一方面可直接破坏细菌微生物的细胞壁，另一方面将污染物降解为无毒无害物质，从而实现污染治理目标。下文将结合实践，探讨光催化纳米材料在环境保护中的应用现状。

1 光催化纳米材料在环境保护中的应用

1.1 大气治理

大气中的有害气体，常见如CO、SO2、NOx等，不仅是造成酸雨、光化学烟雾、温室效应的罪魁祸首，还直接危害人体的健康。利用光催化纳米材料，可对低浓度有害气体进行降解；配合过滤技术，还能净化空气。现有研究发现，可在载体表面涂抹TiO2材料，对有害气体进行吸附，并转化为无害气体。研究表明，在TiO2材料中掺杂WO3，能提高催化剂的活性，用于空调制作，可以杀菌、净化空气。此外，使用紫外光照射TiO2材料，可降低室内甲醛、乙醛的浓度。但是，该材料只能处理低浓度的有害气体，在高浓度气体中，催化活性会不断降低，直至完全失活。

1.2 水污染治理

第一，无机废水处理。在光催化纳米材料的表面，无机物的光化学活性强，材料经激发后，会氧化低氧化态的有毒无机物，还原高氧化态的有毒无机物，从而降解无机污染。在这个过程中，由于水体中的重金属种类多，且部分重金属具有回收价值，利用TiO2材料可以吸附汞、银等离子，实现重金属的回收再利用。

第二，有机废水处理。根据有机废水的分类，将光催化纳米材料的应用归纳总结为5类：①农药废水。以含硫农药为例，将TiO2和SnO2复合使用，发生氧化反应后可实现降解效果。②化工废水。化工废水中的污染物较多，例如甲醇、乙醇、苯类、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。结合实践，将人工采光技术、TiO2材料相结合，可将多氯联苯物质降解为CO2和H2O。③含油废水。石油开采和运输期间，含油废水会污染海域环境，利用TiO2材料可以降解油污。具体应用中，先在空心玻璃球载体中，采用浸涂-热处理法制备TiO2；然后依照相关规定，控制负载量和晶型，利用此催化剂可以对水体表面的浮油进行降解。④印染废水。印染废水中的有害物质主要是苯环、胺基。在溶解氧条件下，利用TiO2材料可将上述污染物转化为矿化有机物，期间不会出现二次污染。⑤造纸废水。造纸废水中的总碳含量高，利用光沉积法制备的催化剂（RU/TiO2），有机总碳的去除率达到99.6%以上，实现废水脱色的目标。

第三，自来水净化。自来水是从地表和地下水源获得，净化时的重点是清除悬浮物，但细菌、胶体物质的降解不完全。利用TiO2材料，不仅能降解有机物、无机物，还能进行杀菌。现有研究表明，可以使用玻璃纤维网固定TiO2材料，形成催化膜后，直接对自来水进行净化，有机物的去除率能达到60%以上。

1.3 噪音控制

随着经济社会快速发展，人们的交通出行需求逐年增加，车辆、船舶、飞机等交通工具在行驶中，发动机产生的噪音大。人们长期处于噪音环境下，会危害身心健康，尤其是损伤神经系统功能。对此，利用TiO2材料制作润滑剂，可在发动机的表面形成永久固态膜，既能提高润滑效果，又能降低噪音，延长发动机的寿命。

1.4 其它领域

第一，消毒杀菌剂。常见的消毒杀菌剂中，含有Cu2+、Ag+等离子，能促使细菌失活。但是，细菌死亡后，有毒组分会释放出来，因此杀菌效果不彻底。基于光照条件下，利用TiO2材料会发生光化学氧化反应，降低生物体辅酶活性，不仅能杀死细菌，还能分解细菌死后释放的内毒素，实现彻底杀菌。现有研究表明，可在陶瓷表面涂抹TiO2浆料，高温煅烧后可形成光催化薄膜，将其用在卫生间等部位，可以净化空气、消毒杀菌。

第二，清洁涂料。光催化纳米材料能处理化纤，提高化纤的双亲性，即亲水性和疏水性。用于制作衣服、窗帘等，具有良好的自清洁能力。一方面，可减少化学洗涤剂的用量；另一方面，能减少污水的排放。

第三，包装材料。食品在阳光的直接照射下，加快食物变质速度。在包装材料中，加入0.1%～0.5%的TiO2材料，可以阻挡紫外光对食品的破坏，从而保持食品的新鲜度。此外，TiO2材料自身的抗菌效果显著，果蔬采摘后会累积乙烯，两者结合后能将乙烯分解为CO2和H2O，从而实现保鲜效果。

2 影响光催化纳米材料活性的因素

2.1 半导体能带位置

半导体的带隙宽度，决定了光学吸收能力，半导体的能带位置、被吸附物质的氧化还原性，直接影响光催化反应结果。一般情况下，价带顶（valence band top, VBT）越正，空穴的氧化能力越强；导带底（conduction band bottom, CBB）越负，电子的还原能力越强。价带、导带的离域性越好，空穴或电子的迁移能力越强，有利于氧化还原反应发生。

2.2 电子和空穴的作用

在光激发下，电子和空穴的变化途径多样，主要分为分离、复合两种。催化反应过程中，如果缺少合适的捕获剂，电子和空穴分离后，会在半导体粒子的表面或内部放出热量。简单来说，该捕获剂就是吸附在光催化剂表面的氧，既能抑制电子和空穴复合，也可以对羟基产物进行氧化。

2.3 晶体结构

实践证实，晶体结构也会影响半导体的光催化活性，以TiO2材料为例，主要分为两种结构，一是金红石，二是锐钛矿。两者的共同点，是均能利用TiO6八面体表示；不同点则是连接方式、畸变程度有差异。由于锐钛矿的质量密度低于金红石，且带间隙大于金红石，因此光催化性能优于金红石。

2.4 比表面积

在多项催化反应中，如果反应物充足，催化剂表面的活性中心密度不变时，其比表面积越大，催化活性越强。通过比表面积，决定了基质吸附量，随着比表面积增大，其吸附量增强，因此催化活性增高。而在实际应用中，对催化剂的热处理不当，催化剂可能存在多个复合中心，就会削弱活性。

2.5 晶粒大小

相比于普通粒子，半导体纳米颗粒的光催化性更强，分析其原因如下：①纳米粒子具有量子尺寸效应，电子—空穴的氧化还原能力更强，半导体的催化氧化活性增强；②纳米离子的表面积大，提高了污染物吸附能力，尤其是反应活性点增多；③半导体纳米粒子的粒径，一般小于空间电荷层的厚度，因此相关影响可以忽略。光生载流子从离子内部迁移到外表面，会和电子的受体、给体发生氧化还原反应，继而增强催化活性。

3 提高光催化纳米材料催化活性的方法

除了TiO2以外，ZnO也是一种常用的光催化纳米材料，在实际应用中，提高催化活性的方法如下。

3.1 掺杂阴阳离子

以C4-、S2-、N3-等阴离子为例，掺杂在ZnO中可以提高催化性能。国内学者研究称：制备ZnO时掺杂N，在可见光下ZnO对双酚的催化性增强，带隙宽度变窄。而在阳离子方面，Na+、K+、Cu2+、Mg2+等离子的掺杂，也能提高光催化性能。国外学者研究称：在ZnO表面覆盖一层Ag，可以改变ZnO结构的禁带宽度，当Ag掺杂浓度为4.14%时，禁带宽度减小至3eV，从而提高光催化性能。

3.2 半导体异质结

利用半导体和ZnO形成异质结，也能提高催化性能。以CdO为例，CdO和ZnO形成异质结纳米线，经可见光照射，其催化效率明显提升。分析其原因，是异质结的禁带宽度为2.5eV，随着CdO成分增加，催化剂吸收可见光的能力增强，催化分解率不断增高，最大值为75%。

3.3 贵金属修饰

采用贵金属进行修饰，也是提高催化性能的有效手段，常见如Pt、Ag、Au等。以Ag为例，有学者采用水热合成法、电纺丝法，利用Ag修饰ZnO，观察亚甲基蓝的退化特点。结果显示：Ag—ZnO纳米材料的光催化性提高，且光吸收能力增强，抗菌作用更加突出。

4 结语

光催化技术无毒无害，不仅稳定性强，而且不会造成二次污染。文中以TiO2为例，介绍了在大气治理、水污染治理、噪音控制等方面的应用。根据影响催化活性的因素，总结出通过掺杂阴阳离子，形成半导体异质结，或利用贵金属修饰，能提高材料的光催化性能，最终发挥出环境保护的潜力。