日本二氧化钛光催化剂技术的应用现状和前景-可见光下的应用

日本二氧化钛光催化剂技术的应用现状和前景

【新华社东京１９９９年１２月１９日电】（记者张可喜）综述：日本二氧化钛光催化剂技术的应用现状和前景

二氧化钛（锐钛矿型二氧化钛），作为一种新的光催化剂，以其神奇的功能，近来在日本备受垂青，应用它制造的种种新产品相继问世，作为一种新的工业技术，正在日本兴起。

偶然发现的神奇功能

最初发现二氧化钛的催化剂效应的是日本的两位学者本多健一和藤岛昭。１９６９年，东京大学研究生院２年级研究生藤岛昭在导师本多健一副教授的指导下进行一项实验：用二氧化钛和白金作电极，放在水中，用光一照射，即使不通电，也能够把水分解为氧气和氢气。

二氧化钛的这种氧化分解功能被称为“本多—藤岛效应”。但是，随着实验、研究的加深，他们又发现，这种方法生产氢效率太低，难以成为大量生产氢能的技术。于是，这项研究成果就被搁置起来。４年前，藤岛教授有机会同来自东陶公司的客座研究员渡部俊也在另外一个科研项目中进行合作研究氧化钛的功能。一次，在交换意见时，渡部提出：“如果大量生产氢能不行，那么，把它应用在分解微量的有害化学物质方面，如清除厕所便器上的黄色污垢怎么样？”

二氧化钛确有这种功能。它在受到太阳光或荧光灯的紫外线的照射后，内部的电子就会发生激励。其结果，就产生了带负电的电子和带正电的空穴。电子使空气或水中的氧还原，生成双氧水，而空穴则向氧化表面水分子的方向起作用，产生氢氧（羟）基原子团。这些都是活性氧，有着强大的氧化分解能力，从而能够分解、清除附着在氧化钛表面的各种有机物。二氧化钛不仅有强大的氧化分解能力，而且还有自身不分解、几乎可永久性地起作用以及可以利用阳光和荧光灯的光线等优点。

这就是二氧化钛作为光催化剂在工业上得到应用的起点。

极其广泛的用途

目前，日本的企业、大学和政府科研机关都在积极地对二氧化钛的光催化剂功能进行应用开发。它的用途集中在环境保护和卫生医疗等领域。

这一技术首先被应用在高楼大厦、高速公路两旁的隔音墙、街道路灯等装置上。阳光（紫外线）的照射就能够清除积落在上面的尘埃和污染物质，如氧化氮、硫化物、氯化物等，不仅节省用以清扫的人力和财力，而且自然地净化了环境。东陶公司于１９９８年首先应用二氧化钛光催化剂制成厨房和浴池用瓷砖、汽车的喷涂材料。它的氧化分解功能使瓷砖和车身得以经常保持清洁。

把含有二氧化钛光催化剂的喷涂材料喷涂在公路表面，沾在路面的氧化氮便被分解为硝酸离子，下雨时被雨水冲洗掉，从而消除了氧化氮对环境的污染。“光催化剂公路”目前已经在千叶县进入试验阶段。

还可以把光催化剂涂敷在无纺布、玻璃和陶瓷等上，使之具有防污、脱臭、杀菌等性能。

东京大学尖端科学技术研究中心把非晶质状的二氧化钛光催化剂事先混入氯乙烯等树脂材料中，燃烧时它就会吸附氯等有害物质，落在地面，遇到阳光，

氯化物就会自动分解。这种做法“给予材料自身以减轻环境负荷的能力”。

由于有良好的消毒、杀菌作用，并且无毒害，二氧化钛光催化剂在医疗方面也正得到应用。除了制作医院的多种消毒、脱臭用品外，科研人员还在用它作治疗疾病的探索。横滨市立大学副教授穴洼田吉信用白鼠作的实验结果表明，直接向皮肤癌等病灶注射光催化剂，在紫外线的照射下，癌细胞能够被杀死。大阪齿科大学永自诚吾用光催化剂防治虫牙，也取得疗效。因为二氧化钛杀死了变形链球菌，使它无法在口内分解糖分进而产生酸溶解牙齿上的钙质和磷质。

东丽公司应用光催化剂开发的消臭纤维业已上市。其机制是，二氧化钛在受光后，生成羟基（氢氧基）原子团与发生体臭、汗臭及烟臭等的物质———胺、乙戊酸、壬烯酸等发生化学反应而相结合，分解为水和二氧化碳等无臭成分。使用喷涂、印染和浸泡等方法把光催化剂与树脂的混合物溶液加工到聚酯、棉线等纤维上，再制造成织物，可用来制作老人和医院用床单、枕套等各种物品，也能够制作食品包装薄膜。

读卖新闻社与企业合作，利用光催化剂把旧报纸变为脱臭、抗菌再生纸，成本极低，可以用来制造年历和室内的隔扇纸等。

光催化剂对水果还有保鲜效果。不十分成熟的水果被摘后，在呼吸过程中会放出乙烯气体。日本无机公司制成的保鲜装置在其多层结构的过滤器上喷涂光催化剂，将它放在仓库里，在荧光灯下，二氧化钛就会分解乙烯气体，不加速水果的成熟。

一种名叫“光催化剂脱臭装置”的空调器由光催化剂过滤器、冷阴极灯和电源构成，具有长期稳定的净化空气和脱臭功能，适合于家庭、医院及其它公共场所使用。

兵库县姬路工业大学与企业联合开发的“光催化剂ＵＴ系统Ｔｉｏ”能够分解聚氯联苯、有机氯化物之类的二恶英、环境激素等剧毒物质，可用于净化垃圾处理场和科研机关排放的废水。据说，这是一项在世界上领先的技术。

开发更有效的光催化剂应用技术

除了上述的喷涂、印染和浸泡等方法，日本企业还在努力研究开发更有效的光催化剂应用技术。

神户制钢公司开发成功制作光催化剂薄膜的技术，其活性比现有的黏合剂涂料高２倍。制造方法叫“ＡＩＰ法”，即以钛金属作为阴极，在氧气的环境中引起电弧放电，在种种基板上形成氧化钛薄膜。此外，该公司还开发成功在氩环境下形成氧化钛薄膜的技术。

过氧化钛没有氧化解能力，但是它有与金属、木材、玻璃、陶瓷、树脂等各种材料结合的性能。ＴＡＯ公司以过氧化钛为黏结剂，把光催化剂喷涂在建筑物的室内墙壁上，分解挥发性有机溶液等化学物质，以净化室内空气，防止“住宅不适综合征”的产生。

熊本大学松本泰道教授开发了在铝基板上直接形成光催化剂层的技术，成本低，用作天花板和墙壁等建筑材料，也能够分解室内有害的化学物质。他采取的方法是，把铝基板置于硫酸中，进行正极氧化，形成多孔质的纯化铝，再把它放在含有钛离子的溶液里，用交流电进行电解，再次进行正极氧化，这时就以纯化铝的孔为中心，形成二氧化钛薄膜。它在微弱的荧光灯灯光下，仅仅数秒钟时间内，就能够分解乙醛等化学物质。

东陶公司在首先开发成功应用光催化剂的瓷砖等产品后，进一步改良了光催化剂，制造出来能够敷设在水中的瓷砖，光催化剂含量比在空气中的瓷砖多２倍，

可以防止藻类和霉菌的附着。

一般的二氧化钛光催化剂必须在紫外线（波长４００纳米）下才能够发生反应，因此，室内和阳光达不到的地方就难以让它发挥作用。通产省资源环境技术综合研究所和环保元件公司合作，研究开发成功在可见光（波长６００纳米）下发生反应的二氧化钛光催化剂。它们的使用方法是，用等离子对氧化钛进行低温处理，以改变氧的结合状态，使氧化钛处于“缺氧状态”。这样，即使在室内白热灯光的照射下，它也能够显示强烈的氧化活性，清除氮氧化物等。该公司用这种方法已经制成“可见光反应型光催化剂”———粉体和涂料各２种，目前正在确立大批量生产技术。

超亲水性的发现及应用

超群的亲水性也是二氧化钛光催化剂的独特之处。这一特性是东陶公司的科学家渡部俊也在１９９５年发现的。他原以为氧化钛是一种抗水性物质，在进行实验时，他无意中发现了氧化钛和氧化硅混合物有超亲水性。现在，他已把这种特性用来制造各种产品，如不用擦拭的汽车后视镜，防水汽和防污的玻璃、陶瓷等。目前，他还在应用光催化剂开发防污塑料和防污液晶显示器等种种产品。

为了发展光催化剂应用技术，神奈川科学技术院开设了光催化剂研究所，主要业务就是促进这项技术的转让、普及和商品化开发。秋田县工业技术中心设立了由官产学组成的秋田县光催化剂利用技术研究会，目的也是加速对这一技术的研究开发和利用。

氧化钛光催化剂现在日本已经被誉为“环境催化剂”。据三菱综合研究所的调查和预测，在排气净化、脱臭、水处理、防污等领域，光催化剂有着广阔的应用前景，市场规模在迅速地扩大，到２００５年，可达到１１１２２亿日元，比现在增加２０倍。