光催化技术在温室气体治理上的研究发展

黄晨茜 刘文占 刘得章 王 伟

（中国建筑第二工程局有限公司，河南 郑州450000）

温室气体是指任何会吸收和释放红外线辐射并存在大气中的气体，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）三类气体造成温室效应的能力最强，但对全球升温的贡献百分比来说，二氧化碳由于含量较多，所占的比例也最大，约为55%，占比最大的二氧化碳浓度有逐年增加的趋势。目前，地球大气中CO2的浓度已达到370mg/L，而工业化前的水平仅为280mg/L。同时中国是非CO2温室气体排放最多的国家，仅2010 年排放的非CO2温室气体为15.87 亿吨，占全球该类气体的13.6%[1]，占当年温室气体总排放的18%。

近年来，受自然界绿色植物光合作用的启发，以CO2为原料，半导体材料为催化剂，在太阳光的照射下利用还原剂将CO2转化为含碳化合物的技术备受关注。该技术在降低大气中温室气体CO2的浓度的同时，生成的含碳化合物又能够缓解日益紧张的能源危机，实现了能源与环境的“双赢”。

1 光催化技术的研究与应用现状分析

1.1 光催化技术的研究现状

1.1.1 半导体材料光催化CO2技术

光催化材料可以分为：TiO2为代表的半导体系列光催化剂，固体化光催化剂两种。TiO2具有廉价、无毒、光稳定性好、容易制备等优点，被广泛地应用于光催化分解H2O、光催化还原CO2和有机污染物降解。对CO2的选择吸附性能差、光生电子- 空穴复合几率高和光谱响应范围窄等因素限制了TiO2光催化CO2还原性能的提高。源于自然界绿色植物的光合作用的灵感，基于孔隙结构传统的硬模板和软模板合成方法，南京大学实验室[2]提出一种合成了分级多孔结构的TiO2海绵和MgO-TiO2的复合材料，并应用于光催化还原CO2。难点在于设计合成复合MgO 的光催化剂时，要选择最佳复合量，实验结果证明：TiO2的MgO 为最佳复合量为0.2 wt%。天津大学实验室[3]采用溶胶- 凝胶法分别制备了Cu 和不同稀土(RE)元素掺杂改性TiO2纳米粉体，考察其在不同光催化还原CO2反应条件下的催化活性，并对反应机理进行了初步探讨。

1.1.2 光催化NON-CO2技术

去除包括甲烷，一氧化二氮和消耗臭氧层的卤化碳在内的非二氧化碳类温室气体比去除大气中的二氧化碳更快地减缓全球变暖。甲烷的光催化是将其氧化成二氧化碳，能够有效地将全球变暖潜能（GWP）降低至少90%；一氧化二氮可通过光催化还原成氮气和氧气；同时卤烃可以通过红氧光催化反应被卤化物和二氧化碳矿化[4]。光催化技术避免了先将这些大气成分分别捕获和隔离再处理的过程。

1.2 光催化技术的应用现状

1.2.1 二氧化钛光催化技术与太阳能烟囱发电厂相结合

De Richter R 和Ming T[4]研究团队通过大规模的太阳光催化去除大气中的非二氧化碳温室气体，该团队提出将二氧化钛光催化技术与太阳能烟囱发电厂（SCPPs）结合起来，以净化大气中的非二氧化碳温室气体的同时，利用可再生能源发电技术在一个包含轴流式涡轮机的太阳上升气流塔中进行发电[6]。

SCPP-PCR 是一种负排放技术，可能有助于对抗全球变暖，通过防止或消除近1600 千克当量二氧化碳当量（每个200 兆瓦的电厂）来应对气候变化。光催化科学技术以及工业应用的进展指出了光催化降低大气中温室气体的潜力，对气候变化的影响具有积极影响。

1.2.2 中央空调系统空气净化装置

中央空调系统空气净化装置，是指与中央空调系统配套的空气净化设备，是全新的产品。净化装置可以分为三类：a.光催化与过滤、电子集尘技术组合的空气净化装置；b.电子集尘净化与活化活性炭吸附组合的空气净化装置；c. 等离子体净化与纳米光催化及活性炭吸附组合的中央空调空气净化装置。这三种净化装置主要是去除室内空气中的有害气体物质、杀灭细菌和病毒等生物污染物。

1.2.3 各类型光催化复合材料

作为半导体材料的纳米TiO2可以在光的作用下有效降解汽车尾气，因而在各个行业得到了广泛应用。在道路材料方面，国内外学者不断尝试制备光催化材料，以降解汽车尾气中的氮氧化物。纳米TiO2应用在光催化水泥基复合材料[8]、光催化涂层技术[9]以及其他各种光催化材料[10]等。

在HPC 研发的第二代光催化外墙除霾自洁涂料成功应用于绍兴鼎盛时代广场的玻璃幕墙表面，它的出现不仅代表着光催化处理技术正式进入了治理玻璃幕墙污染的阶段，也代表着玻璃幕墙污染的问题终将成为过去。第二代光催化外墙除霾自洁涂料涂覆于玻璃幕墙表面后，可形成一层具有自清洁和降解有机物等功能的透明膜。在光照作用下能够产生灭菌抑菌、分解油污、分解污染气体的功效，可以实现基材的自清洁，无需人工清洗，长期保持表面清洁。同时，产品还具有抗氧化、耐酸、耐碱和延长幕墙寿命等特点。

2 光催化技术在建筑领域的应用

综合前人的各项研究，我们可以汇总分析得知：光催化高新技术作为新型环保节能产业未来发展潜能巨大，现如今已经应用而生各种产品，如：光催化灯具，光催化车载净化器，光催化喷涂剂具备的亲水性，抗污性等功能，各界专家一致认为未来城市治理PM2.5、解决温室效应和分解有害有毒气体使用光催化技术势不可挡，必将为城市披上一件“自净的绿装”，给人们的健康带来福音。

3 结论

经过几十年的研究发展，光催化技术及相应的材料方面的研究已经取得了一定的成果，光催化技术在各个领域得到了广泛的应用。但目前光催化材料要达到高效还存在挑战。人们对于光催化过程内部机理的研究还不够深入，开发新型高效的光催化材料时缺乏理论指导，因此研发高效光催化材料与其最佳使用场所势在必行。现如今的光催化材料主要有以下两点限制其发展和推广应用：（1）光催化剂的光转化效率较低，并且不能在理想的时间内保持稳定性；（2）光催化材料的成本一直较高，阻碍了其大规模的推广应用；（3）光催化材料在应用时，受外界动态光照环境、应用场所不稳定等多方面影响，从而导致其性能、在应用场所上的贴附度等发生变化，例如，选取适用在玻璃幕墙上的最佳光催化材料，现如今随着时代的不断发展，越来越多的高楼大厦采用玻璃作为幕墙，将建筑美学等因素有机地统一起来，建筑物随阳光、月色、灯光的变化给人以动态的美。但玻璃幕墙相对其他基材更显脏污，传统水清洗已无法满足其需要。因此可以将光催化技术应用在玻璃幕墙治理上面，可以为玻璃幕墙污染治理做出贡献。另外还可以选取适用在公路两侧隔离板上的最佳光催化材料进行研究等。

基于此，作者认为，在光催化技术被广泛应用之前，以下问题需要解决：

降低光催化材料的生产成本；

提高光催化剂的光转化效率以及稳定性；

光催化材料与应用场所的最佳耦合关系的选取。

在此综述中，本人认为将此作为主攻方向，通过相关系统的研究，可以为中国气候条件下控制及回收温室气体，提供坚实的理论支撑体系。