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光触媒大全

1、商品“光触媒”

   “触媒”是日语,翻译成中文是“催化剂”的意思,光触媒就是“光催化剂”,目前光触媒已约定俗成为一个商品名称。给出定义:“光触媒”是这样一种产品,它涂布于基材表面,在室内或车内可见光作用下,产生光催化作用,该作用效果包括降解空气中有毒有害气体;杀灭细菌、霉素与病毒,并能将细菌或真菌释放出的毒素分解无害化;同时还可释放一定浓度的负氧离子。具备除臭、抗污、杀菌灭病毒、净化与清新空气等功能。它的成分是纳米二氧化钛与微量可见光活性修饰剂。


2、光催化(光触媒)概念

   这里介绍科学上纯粹的“光催化”(光触媒)的概念。

   1967年,日本东京大学本多建一教授和他的博士学生藤岛昭发现,用紫外光照射二氧化钛电极可发生水的电解反应,产生氢气与氧气,这就是一种纳米二氧钛的光催化现象。内在原因是纳米二氧化钛作一种半导体氧化物,当被高能量的紫外光光子轰击时,电子会从基态跃迁到激发态,产生高能量的自由电子(e-)与空穴(h+),高能量自由电子与水或氧分子形成羟基自由基(·OH),以及其它一些氧活性基团(如:O2·、HO2·与H2O2等),它们都具有极强的氧化能力,能降解有机污染物,杀灭细菌、霉菌与病毒,同时也会释放出负氧离子。具有光催化(触媒)活性的材料除了纳米TiO2外,还有许多种,如:纳米ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3等,但是只有纳米二氧化钛(TiO2)稳定无毒,并且具有良好的生物相容性,适合用于人们生活场所空气净化用光催化剂,其它纳米光催化剂有的本身有毒性,有的不稳定,都不适合作为“光触媒”商业产品原料应用。

   二氧化钛(TiO2)有锐钛型(Anatase)、金红石型(Rutile)及板钛型(Brookite)三种晶体结构,其中只有锐钛型晶体具有强的光催化性能。

   锐钛矿型纳米二氧化钛的形态有粉体形态与胶体形态,前者有一定的软或者硬团聚,后者有优异的单分散性,更适宜作为光触媒的原料。因此,光触媒原料应该是锐钛矿型纳米二氧化钛晶体胶体溶液,平常称为纳米二氧化钛胶体。纳米二氧化钛的光催化活性与许多因素有关,如:表面态(表面羟基与缺陷)、晶型、粒径、结晶度等。这里特别指出并不是粒径越小光催化活性越好。


3、光触媒外观

锐钛矿型纳米二氧化钛胶体晶体是颗粒状,如图1所示。在高分辨率电镜下面显示出晶体晶格距离是0.351nm,这个数据是锐钛矿型晶格特征之一。

1 锐钛矿型纳米二氧化钛晶体颗粒电镜图


   商品光触媒是什么外观呢?首先,我们要了解理论上光触媒浓度越高越好,但是浓度过高没有办法施工,难以形成看不见的纳米透明膜,1%是允许的最高浓度。因此,浓度1%是优质光触媒的产品的重要指标。

   1.0%浓度的优质光触媒产品外观是乳白色的无气味液体,如图2所示。纳米二氧化钛的浓度越低时,颜色越淡,当然光催化活性也会越低。将光触媒产品稀释到0.3%时,颜色明显变淡,当把光触媒产品稀释数十倍后会得到一种淡蓝色液体,这种淡蓝色并不是发生了化学反应,而是一种光的散射现象。纳米粒子稀溶液受到光线照射时会产生淡蓝色光,这就是纳米稀溶液的光散射现象。


图2 商品光触媒不同浓度时的外观


4、光触媒功能

   光触媒是一种多功能产品,可以无选择地降解几乎所有空气污染气体(包括甲醛)、杀死细菌霉菌与病毒,同时释放负氧离子。

   光触媒喷涂在物体表面形成一层肉眼看不到的纳米薄膜,膜中的无数纳米二氧化钛粒子,在可见光的作用下产生羟基自由基与其它活性氧基团,这些基团与纳米晶体表面空穴光催化氧化还原降解有机污染物,破坏细胞壁杀灭细菌、霉菌与病毒,同时产生对人体有益的负氧离子。这三种功能是孪生的,必然同时存在,缺一不可!缺少其中某个功能都不可能是真正的光触媒。

   因此,只有同时具备上述3个功能的光触媒才是真正的光触媒产品。


5、光触媒作用机理

   光触媒在物体表面喷洒后,经自然干燥形成一层透明的纳米二氧化钛膜,这一层纳米膜同时具有三个方面的功能:降解有毒污染物(除甲醛去异味);抗菌防霉杀病毒;释放负离子。由于这三个功能的作用达到净化清新空气的目的,这一过程用图3表达。

图3光触媒净化清新空气的过程示意图


   从图3可以看出,光触媒产品的三种功能很大程度上均来自一个强氧化性物种“羟基自由基(·OH)”。纳米二氧化钛是一种半导体氧化物,钛元素外层电子存在激发态空轨道,当具有高能量的紫外光照射晶体表面时,基态电子吸收光子能量跃迁到激发态,成为高能量自由电子,作用于水与氧分子就会形成强氧化性的羟基自由基,该自由基降解有机污染物杀灭细菌霉菌与病毒,或者转化为负氧离子,负氧离子另一个重要来源是高能量自由电子直接与氧气分子结合。当然,纳米二氧化钛晶体表面受光激发后产生自由电子,原位上会形成一个带正电荷的空穴(h+),它们也可以直接作用有机污染物,在杀灭细菌霉菌与病毒时也会起到作用。如图4所示,羟基自由基与空穴杀灭细菌霉菌与病毒时有三种途径(1)穿透细胞膜,漏液死亡;(2)氧化辅酶不能呼吸死亡;(3)破坏细菌DNA死亡。

图4羟基自由基与空穴杀灭细菌霉菌与病毒时有三种途径

   当光子轰击纳米二氧化钛晶体表面时,激发出来的高能量自由电子可以与氧分子直接结合形成负氧离子,这也是光催化生成负氧离子的主要形成机理。如图5所示。

图5光触媒光照下释放负氧离子过程示意图


6、光触媒标准与伪劣判断

   光触媒的质量标准

 1)光触媒溶液酸碱度

  广泛pH试纸光触媒产品的pH值,pH=4-6为合格产品。因为纳米二氧化钛胶体粒子等电点约为6.25,稳定体系的pH值必须小于等电点数据,理论上越低越稳定,但是pH太低,意味酸度增高,产品的腐蚀性增大。一般来说pH小于3的光触媒产品不建议使用。

       2)冷冻稳定性

  将光触媒溶液放入冰箱冰冻24小时,取出室温放置,融化后得到的溶液仍然均匀,无分层现象为合格。

       3)附着力检测

  取深色人造板3块,大小约30*30厘米,将光触媒分别在上面喷洒。一块正常喷洒处理;一块稍过量,产生大的液滴;第三块过量产生流挂。放置自然凉干,观察三块板表面情况,正常处理木板表面外观没有变化;稍过量的第二块有痕迹并且不能擦去;第三块表面有粉末出现。如果第二块木板痕迹能轻易擦去为不合格。

      4)光触媒粒径检测

   要观察光触媒产品中粒子的粒径要专门的设备,电子显微镜(TEM、SEM或者AFM)。高校测试中心或者纳米材料研究室会有这种设备,可以联系检测,这里不详细说明。如果光触媒产品稳定性合格,并且具有好的可见光光催化活性,基本上可以判断会是纳米材料,这一项可以不送检。

      5)纳米二氧化钛光触媒晶型检测

  光触媒原料是锐钛矿型纳米二氧化钛,要确定产品是否属于该晶型,方法是做XRD测定。将一定量的光触媒液体产品中的水蒸发,105度烘干粉体。将所得到的粉体样品送相关检测中心的XRD检测室。如果产品有良好的光触媒活性,基本上可以判断是锐钛矿型纳米二氧化钛,这一项也可不送检。如果要排除纳米氧化锌的存在就要送检。当然在光触媒溶液中加入一些盐酸,如果溶液变清,说明是纳米氧化锌。纳米氧化锌不能用来制作光触媒产品,因为它非常不稳定甚至可以与空气中的二氧化碳反应。

 6)光触媒可见光活性功能检测
  光触媒产品在室内或者车内光线下应该具有良好的光催化活性,即具有“可见光光催化活性”。当然在太阳光下会具有更高的光催化活性,因为太阳光中含有约3%的高能量紫外光。
光催化剂的光催化活性实验需要专门的仪器设备,但是我们也可以用简便的方法进行科学的定性评定。可用可见光光催化剂(光触媒)产品除甲醛演示检测系统,检测除甲醛效率判断产品的可见光光催化活性。



6可见光光催化剂(光触媒)产品除甲醛演示检测系统


    光触媒产品伪劣判断

   空气中的异味污染气体都是有机物气体,肉眼看不见,它们浓度的变化无法直接观察到。但是有一类有机物是看得见的,那就是有机染料分子,因此我们可以用染料分子光催化褪色来检验光触媒的功效。具体操作如下:

1)取二只透明容器,可以是玻璃杯、玻璃试管、一次性透明水杯等。

2)在其中一只中倒入光触媒溶液至2/3处,滴入1-2滴红墨水(最容易得到的染料溶液),混合均匀。也可是其它有颜色的有机物,如:亚甲基蓝、罗丹明等,咖啡水溶液也可以。不要用茶水,因为里面有茶碱会破坏光触媒稳定性。

3)把带色的光触媒溶液倾到一半至另一只透明容器中。

4)一只避光保存,一只放置室内有光亮处。注意不要让窗外太阳光照射到。

   数小时后或第二天观察颜色的变化,有光照的红色会逐渐变淡,直至全部褪去;如果在太阳光下暴晒,数十分钟就会看到褪色效果。而没有光照容器中的红色没有什么变化。颜色褪色越快光触媒的质量越好。

 

   试验样品结果判断:

1)如果数天后颜色都没有变化或只有微弱的变化,则该光触媒产品属于伪劣产品。

2)如果加入红墨水马上褪色,或褪色数小时或隔天后又恢复颜色,则该产品可能是强氧化剂溶液,而非光触媒产品。置于暗处的另一半也发生褪色也说明是氧化剂或者加入了氧化剂。

3)光触媒产品可以数次重复光照褪色实验。

  由于光触媒是目前最为优异的室内车内空气污染治理产品,市面涌现众多假冒伪劣产品,弄出很多的所谓“褪色”实验。但是有的不科学,有的完全是骗人的把戏。图6的表格总结了常见的各种证明光触媒效果的方法正误比较,有兴趣可以细心查自,此处不作更多的文字描述。

图7 常见证明光触媒效果的方法正误比较


7、光触媒工业应用

   光触媒在工业产品上的应用非常广泛,并且在日益增多,目前已经有的应用主要归纳如下。

   面料光触媒:面料专用光触媒可以赋予面料净化甲醛、抗菌与释放负氧离子的功能。
   陶瓷光触媒:陶瓷专用光触媒可以赋予瓷砖表面净化甲醛、抗菌与释放负氧离子的功能,并且瓷砖表面具有自洁净,不会附着有机污垢,长久不用清洁或容易清洁。
   纸用光触媒:经光触媒涂布处理的纸非常适合用于儿童读物的印制,因为它会具有良好的抗菌功能。墙纸经光触媒处理会具有净化室内空气的能力。

   外墙自洁净光触媒:外墙经光触媒处理会持久保持洁清与颜色艳丽。


8、光触媒日常应用

   光触媒是最为优异的室同车内空气治理产品,持久多功能,安全无毒。即使不是新装修的人们活动空间也可以做光触媒喷洒处理,因为它会让处理过的空间持久维持2000左右的负氧离子浓度,负氧离子有『长寿素』之称,可以提高人体免疫力,有利健康。光触媒的应用范围总结如下:

   人居环境:居室、别墅、酒店、旅馆等
   工作环境:办公室、会议室、写字楼、实验室等
   交通运输:汽车站、飞机场、高铁站、地铁站等
   交通工具:车辆、飞机、火车、高铁、船舶等
   娱乐环境:网吧、电影院、歌舞厅、KTV厅等
   医疗系统:医院、卫生所、保健院、门诊部、急救中心、防疫站等
   教育系统:学校教室、宿舍、礼堂、食堂、图书馆等。

   在装修空气污染治理时,光触媒应用有一定的局限性。光触媒作为居屋与车内空气净化产品,具有安全、持久与多功能的特点,但是污染物浓度太高,又希望尽快体现治理效果,建议治理施工时,有必要与其它手段结合。例如对于刚装修完成的新房,先用高温蒸汽处理所有异味重的物体表面,再进行光触媒施工;新车坐椅先高温蒸汽表面薰蒸,再全车内表面仔细喷洒车用光触媒。另外,有些光照不到的家具表面,往往又是甲醛重要挥发源,如内表面、背面、底部与顶部(也是甲醛重要挥发源)要用专门甲醛净产品处理。

如果有长时间存在油漆异味,建议油漆表面使用钛唐油漆异味清除剂,或者使用甲醛异味二合一清除剂。


9、光触媒施工   

光触媒应用时要在物体表面形成纳米膜,为了不影响物体的外观与颜色,光触媒纳米膜的厚度不能大于400 nm,因此施工喷枪喷嘴的口径不要大于1.0 mm,最好小于0.5 mm。如果是手动瓶要选用雾化好的喷头。车用光触媒可以使用钛唐新推出的纳米喷涂器,纳米喷涂器如图7所示。


图8钛唐纳米喷涂器(雾化优异,可以施工1%高浓度优质光触媒产品)


光触媒施工时,不要形成大的液滴,更不要产生流挂,不小心过量,在它完全干透前擦拭即可。如果不小心过量使用,在物体表面产生了痕迹,由于纳米材料好的附着力,不能轻易擦掉,也不用担心,建议用拧干的湿毛巾沾牙膏耐心擦拭干净。

10、光触媒相关概念解析

1)无光触媒或暗触媒

近来市面上出现“无光触媒”或『暗触媒』名字,并说明是光触媒的升级替代品,是室内空气污染治理技术的又一次突破,是日本唯一特许专利,主要成分是磷酸二氧化钛化合物。事实果真会是这样吗?
“触媒”日语,中文意思是“催化剂”,光触媒即光催化剂,它的主要功能是可以在光作用下降解甲醛、苯系物与 TVOC 等室内与车内污染物,抗菌防霉,同时释放负氧离子,是最为优异的室内车内空气污染治理产品。“无光触媒”翻译成中文就是“无光催化剂”,科学逻辑不通,为杜撰的名称。

那么所谓的“无光触媒”的可能会是什么物质?

光触媒是目前最优异的室内车内污染治理产品,但是它在没有光的情况下不会起作用,这一点让客户担心,因此有商家利用人们这种心理,杜撰出一个“无光触媒”产品,满足这一部分客户的心理。这些“无光触媒”常常会是氧化剂,或者是价格相对低的专门除甲醛产品,如果是后者是可以用的,但是如果是氧化剂就不建议使用,因为它对人与物都有危害。
没有光的地方光触媒效果确实是会有限的,并且这些地方往往又是甲醛的重要挥发源,但是没有关系,我们可以用专门除甲醛产品处理好,如:特效甲醛净。所有的外表面用光触媒处理好,注意要用“可见光”光触媒,它在灯光下与室内自然光下都有非常优异的效果。

另外,“磷酸二氧化钛”不符合化合物命名规则,因此,不存在这种物质,如果是指磷酸与钛的化合物,应该称为“磷酸钛”或者“磷酸氧钛”,但是它们只是普通的盐类化合物,没有任何光催化活性,也不能在没有光的情况下除甲醛。

2)纳米氧化锌

近来市面上出现名为“二氧化钛光触媒”,实则是纳米氧化锌的产品,那么纳米氧化锌能否适合做光触媒的原料呢?

纳米氧化锌便宜,水溶性好,室内光下红墨水或亚甲基蓝褪色明显。但它不能作为光触媒使用,因为不稳定,施工几天后就会失去光催化功能。
那么如何判断采购到的“可见光光触媒”是否是纳米氧化锌呢?以下提供两个方法。

方法一:把粉体少许加热,高温下纳米氧化锌会变成明显的黄色,冷却到室温又会恢复到白色,这个是纳米氧化锌的特性。

方法二:模拟实际应用,把液体产品喷在一张A4纸上(如果是粉体先配制成1%浓度液体),24小时晾干。分别检测放置1、3、10天后的纸样光催化除甲醛效果。结果如表1所示,检测设备:可见光光催化剂(光触媒)与产品除甲醛演示检测系统。也可以送专业机构检测。

表1 纳米二氧化钛与纳米氧化锌除甲醛速度常数(x104

         结论:二个纳米氧化锌样品分别在3天与10天后失去光催化功能,纳米二氧化钛光催化活性基本没有变化。

方法三:粉体XRD谱可以准确分辨纳米二氧化钛与纳米氧化锌。如果是液态产品,先在105度5小时烘干成粉体,再做XRD分析。图8是锐钛型二氧化钛与氧化锌的XRD谱图,如图所示,它们出峰位置完全不同,区别明显。


锐钛型二氧化钛与氧化锌的XRD谱图


3)甲醛溶解酶

   没有甲醛溶解酶或者甲醛分解酶这种物质,即使有也不能用于室内车内除甲醛。生物酶就是一种蛋白质分子,其实大家对于蛋白质分子一点也不生疏,我们平常吃的鱼肉蛋就是富含蛋白质的物质,这一些物质容易发臭变质,原因就是其中的蛋白质分子引起的。如果人们在物体表面到处喷洒蛋白质溶液,就会发臭生霉,因此说即使有甲醛溶解酶也不能随意喷洒。另外,生物酶催化剂非常贵,会按克来销售,并且它们具有生物活性,实验室的酶制剂一般会在冰箱保存。市面上标上甲醛溶解酶标签的商品,如果是没有腐蚀性的甲醛清除剂,是可以使用的,如果是氧化剂不建议使用,因为对人与物均有危害。氧化剂也可以除甲醛,常会要求使用时封闭门窗。

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