納米光觸媒:納米仿生技術-中文百科頻道

簡介

納米光觸媒技術是一種納米仿生技術，用于環境淨化，自清潔材料，先進新能源，癌症醫療，高效率抗菌等多個前沿領域。

材料

世界上能作為光觸媒的材料衆多，包括二氧化钛(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化錫(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多種氧化物硫化物半導體，其中二氧化钛(TitaniumDioxide)因其氧化能力強，化學性質穩定無毒，成為世界上最當紅的納米光觸媒材料。在早期，也曾經較多使用硫化镉(CdS)和氧化鋅(ZnO)作為光觸媒材料，但是由于這兩者的化學性質不穩定，會在光催化的同時發生光溶解，溶出有害的金屬離子具有一定的生物毒性，故發達國家目前已經很少将它們用作為民用光催化材料，部分工業光催化領域還在使用。二氧化钛是一種半導體，分别具有銳钛礦(Anatase)，金紅石(Rutile)及闆钛礦(Brookite)三種晶體結構，其中隻有銳钛礦結構和金紅石結構具有光催化特性。

二氧化钛是氧化物半導體的一種，是世界上産量非常大的一種基礎化工原料，普通的二氧化钛一般稱為體相半導體以與納米二氧化钛相區分。具有Anatase或者Rutile結構的二氧化钛在具有一定能量的光子激發下[光子激發原理參考光觸媒反應原理]能使分子軌道中的電子離開價帶(Valenceband)躍遷至導帶(conductionband)。從而在材料價帶形成光生空穴[Hole+]，在導帶形成光生電子[e-],在體相二氧化钛中由于二氧化钛顆粒很大，光生電子在到達導帶開始向顆粒表面活動的過程中很容易與光生空穴複合，從而從宏觀上我們無法觀察到光子激發的效果。

但是納米的二氧化钛顆粒由于尺寸很小，所以電子比較容易擴散到晶體表面，導緻原本不帶電的晶體表面的2個不同部分出現了極性相反的2個微區-光生電子和光生空穴。由于光生電子和光生空穴都有很強的能量，遠遠高出一般有機污染物的分子鍊的強度，所以可以輕易将有機污染物分解成最原始的狀态。同時光生空穴還能與空氣中的水分子形成反應，産生氫氧自由基亦可分解有機污染物并且殺滅細菌病毒。這種在一個區域内2個微區截然相反的性質并且共同達到效果的過程是納米技術典型的應用，一般稱之為二元論。該反應微區稱之為二元協同界面。

從上面介紹我們可以看到，二氧化钛的光催化反應過程，很大程度依靠第一步的光子激發，所以有足夠激發二氧化钛的光子，才能提供足夠的能量，我們也可以知道，光催化反應并不是憑空産生的它也是需要消耗能量的，符合能量守恒原則，它消耗的是光子，也就是光能。如果是太陽光照射光觸媒就利用太陽能，燈光就是利用光能。聯合國将納米光觸媒開發列為21世紀太陽能利用計劃的重要組成部分。

什麼樣的光子能激發二氧化钛呢，從理論結構上來說，銳钛二氧化钛的導帶與價帶之間的間隙[我們稱之為能隙]是3.2eV而金紅石二氧化钛為3.0eV,所以金紅石需要光能大于3.0eV的光子而銳钛需要大于3.2eV的光子。光子的能量E與波長λ(Lambda)與之具有反比關系E=hC/λ，所以可以知道波長小于380nm的光可以激發銳钛型二氧化钛。雖然銳钛礦需要略多的能量來激發，但是同樣的銳钛礦的二氧化钛光觸媒具有更強的氧化能力，所以被更為廣泛的使用。有研究表明接近7nm粒徑時，銳钛礦要比金紅石更為穩定，這也是很多納米光觸媒采用銳钛型的原因。

當然，随着科技的進步人類能夠已經突破了380nm的界限，研發出在可見光下也有響應的光觸媒産品，在日本有3家企業掌握真正的可見光響應技術，2005年泰坦光能也推出了國内首款自主知識産權的可見光增強光觸媒，可見光下性能達到普通光觸媒的10倍，已申請國家專利，相信随着可見光響應技術在中國的推廣，納米光觸媒的應用會更廣泛更進一步。

應用領域

納米二氧化钛（光觸媒）廣泛應用于室内空氣淨化、污水處理、塗料、化妝品、塑料、紡織品、陶瓷、玻璃、脫腥嗅、消毒殺菌等領域。例如：在養殖業可用來預防各種動物傳播疫病；在紡織業可制作出多種功能纖維，如抗紫外線型、抗菌除臭型、遠紅外線反射型、拒水防污型等多功能的紡織産品；在油漆領域可制出着色很強的轎車金屬閃光面漆和防鏽漆；在塗料領域通過添加該産品可制出具有消毒殺菌和空氣淨化等功能的塗料産品。