纳米材料在光催化中的应用论文

纳米材料在光催化中的应用

摘要：随着社会的发展，很多问题用传统的方法很难解决或解决不够彻底，譬如在环保上。自20世纪70年代以来，光催化技术在诸多领域应用引起了广泛研究。主要综述了该技术在抗菌、水处理、空气净化、有机物的降解的发展和研究现状，并指出了该技术目前存在的问题和未来的发展方向。

关键字：纳米TiO2；光催化剂；环保；应用

引言

目前，人们的生活水平正在逐节攀升，进而对生活质量的要求不断提高。然而人们正面临着严峻的环境问题，这些都是及待解决的问题，而纳米材料在光催化中的应用范围很广，如在抗菌、水处理、空气净化、降解有机物、金属防腐、等方面均有涉及，而且效果很好，比起一些传统方法要有优势。因此随着社会的需要愈加迫切，纳米材料在光催化中的应用就更加脱颖而出，而在诸多纳米材料中TiO2的用途更加广泛。本文主要探讨和概述一些纳米材料尤其是TiO2在光催化中的一些较为常用的应用

1.光催化反应机理

目前，光催化反应很多情况下用在有机污染物的降解上，所采用的光催化剂多为纳米TiO2，当光辐射TiO2时，处于低价的带的电子就会被激发到导带，价带生成空穴(h+) TiO2变成TiO2（h+ e-）此时，此时e- h+ 存在两种可能性，一是二者复合，将吸收的光能以热的形式释放，或释放出光子，无法利用吸收的光能；二是二者分离，将吸收的光能转换成化学能。

实验证明，TiO2与水接触时表面就会吸附OH-·H2O 分子，这些组分可被光激发产生的空穴h+所氧化，生成H2O·（吸附在TiO2 表面）.另外有机物直接被h+ 氧化也是可行的。【11】

1.1纳米TiO2作为光催化剂的优势

由于TiO2稳定性好，而其又对人体无毒，，已成为最受重视的一种光催化剂。很多情况下它经常被用于有机物的降解上。譬如:TiO2当受到光的激发是产生的OH·能将脂肪一类物质氧化成醇，进而氧化成为醛类化合物、再变为酸，最后脱去羧基产生CO2

1.2用于有机物的降解

如上所述：:TiO2当受到光的激发是产生的OH·能将脂肪一类化合物氧化成醇，进而转化成CO2。以脂肪一类物质为例；当此类有机物碰上受到光催化而激发的TiO2时，脂肪一类的物质就会不断被氧化，实际上酶降解一个碳原子就形成一个CO2分子，进而不断循环，直至脂肪族全部转化为CO2为止。而至于芳香族化合物则降解为CO2和H2O及一些无机小分子物质。

2.纳米TiO2光催化反应在空气净化上的应用

吸附在TiO2表面的溶解氧俘获电子形成原子氧，而空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成·OH（氢氧自由基）。氢氧自由基的氧化能力很强，能有效地将有机污染物氧化，最终将其分解为CO2，H2O，PO43-，SO42-，NO23-及卤素离子等无机小分子，达到消除空气污染物的目的。

2.1纳米TiO2应用于空气净化领域独特的环保优势

(1)降解没有选择性，几乎能降解所有有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；(2)其催化反应条件温和，投资少，能耗低，在紫外光照射或阳光下即可发生光催化氧化反应；(3)无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O等无害物质；(4)应用范围广，几乎所有的污染空气都可以采用。(5)降解速度快，一般只需要几十分钟到几个小时即可取得良好的处理效果。

2.2 水处理

鉴于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，因此污水治理一直得不到好的解决。而纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。研究表明，纳米TiO2能处理多种有毒化合物，可以将水中的烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂、木材防腐剂和燃料油等很快地完全氧化为CO2、H2O等无害物质。此外，纳米TiO2在降解纺织后留下的废水、有机溴（或磷）杀虫剂等到方面也有一定效果。迄今为止，已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2而迅速降解，而相对于传统的处理方法这种技术有着明显的优势。【5】【7】【9】【10】

虽然利用纳米光催化TiO2进行水处理目前还未得到广泛应用，但我们可以看出它未来的应用前景必将非常广阔。

3光催化空气净化器的原理及功效

3.1空气净化器的发展

随着人民生活水平的提高和环境保护意识的增强，空气净化技术的研究应运而生。空气净化的方法很多，但是有很多的方法在处理上都存在一些问题，譬如在用臭氧净化空气时，其就存在不能分解有机污染物的缺点

相对来说采用纳米光催化分解有害气体为核心，结合高新除尘技术、紫外杀菌技术、臭氧耦合技术和负离子清新技术于一体的空气净化技术将带来全方位的空气净化器。其具有强力除尘、脱臭、消毒、灭菌、分解有害气体等净化空气的功能。【6】【8】

3.2新材料、新结构的应用

应用纳米TiO2泡沫镍金属滤网及改性活性炭等新材料，以及采用惯流风扇取代传统的离心风扇结构，提高空气净化器的性能。

（1）光催化泡沫镍金属滤网的特性

镍金属网是用特殊的工艺方式将金属镍制作成具有三维网状结构的金属滤网。它具有：空隙加大，一般大于96%；通透性好，流体通过阻力小；其实际面积比表观面积大很多倍（10-13）的特性。

镍金属网是将纳米级的TiO2以特殊工艺镶嵌在泡沫状镍金属网上，从而将光催化材料的杀菌、除臭、分解有机物的功能和镍的超稳定性很好的结合在一起。它有效的解决了其他光催化材料在使用中存在的有效受光面积小、流体和光催化材料接触面积小、气阻大以及因光催化材料在光催化作用下的强氧化性致使其附着基材易老化和光催化易脱落而使其寿命短的缺陷。【4】

（2）光催化空气净化器通过在壳体内上置贯流风扇的结构设计，相对节省了空间，有效增大过滤系统的空间，实现了普通过滤器和特效过滤器的同时使用，提高了空气净化的效率和质量。同时，贯流扇叶的应用吸取空调中风扇结构的优点，使应用环境更加健康、环保。

4光催化纳米二氧化钛复合涂料

4.1纳米二氧化钛复合涂料的抗菌效果

人们的居住环境中存在着各种有害微生物，这些微生物容易繁殖，从而导致空气菌浓度和物品表面菌浓度增大，对人类生活产生不良影响。事实证明，使用抗菌材料是一种杀死细菌、抵抗感染的有效办法，能够提高人类健康生活的质量。当前，纳米二氧化钛作为一种新型抗菌剂，无毒、无味、无刺激性、热稳定性与耐热性好，以其优异的抗菌性能成为开发研究的热点之一。它合理利用自然光资源，常温常压即可催化分解细菌和污染物，具有高催化活性，且无二次污染、安全无毒，长期有益于生态自然环境。通过纳米二氧化钛半导体的光电效应，在材料内部由吸收光激发电子，产生电子- 空穴对，即光生载流子，迅速迁移到材料表面，激活材料表面吸附氧和水分，生成一些活性基团，包括. OH ，. O 2 - ，Ti 3+ ，从而转化为一种具有安全性化学能的活性物质，并产生高温，足以使TiO2表面吸附的有机污染物分解，起到降解环境污染物和抑菌杀菌的作用。【1】【2】【3】

5结语

综合文中所述，纳米材料在光催化中的应用很广泛，其在诸多领域中均有涉足，且优势巨大，。在当今社会，随着社会的发展，环境破坏愈加严重，环保无疑将成为头等大事，而随着人们对纳米材料在光催化这一领域中的研究逐渐加深，人们就越来越重视它的作用。经过40多年的努力研究，科学家们指出了该技术目前存在的问题和未来的发展方向。目前中国在这一领域上的研究尚还不够，因此我们要努力研究，以跟上其他发达国家脚步。

参考文献：

【1】.祖庸;雷闫盈;李晓娥纳米TiO2-- 一种新型的无机抗菌剂[期刊论文]-现代化工，1999，19（8）：46-48.

【2】刘平，林华香，付贤智，等。搀杂TiO2光催化膜材料的制备及其灭菌机理［J］.催化学报，1999,20(3)：325-328

【3】许莹. 无机抗菌剂的制备及在建筑用杀菌涂料中的应用[J].新型建筑材料,2003, (2):47

【4】张君，马江涛. 纳米TiO2光催化剂在抗菌方面的应用和研究进展[J].当代化工，2006,35(3):212-214。

【5】芦丽霞，何争光，熊辉东，等。太阳能光催化氧化技术在水处理方面的研究进展[J].广州化工, 2006, 34(3):11

【6】肖羽堂，马程. 光催化净化空气研究进展[J].现代化工，2007, 27(6):15