光觸媒

常用的光觸媒材料主要為N型半導體材料，具有禁帶寬度低等特點，常用的光觸媒半導體材料為二氧化鈦。 ^[2] 

ZrO2、ZnO、CdS、WO₃、Fe₂O₃、PbS、SnO₂、ZnS、SrTiO₃、SiO₂等也是光觸媒材料，2000年以來又發現一些納米貴金屬（鉑、銠、鈀等）具有更好的光催化性能，但由於其中大多數易發生化學或光化學腐蝕，然而貴金屬成本則過高，都不適於日常應用。 ^[4] 

早在20世紀30年代就已經發現了以氧化鋅為基底的光觸媒材料。1967年，日本東京大學的本多健一教授和博士生藤島昭發現用光照射二氧化鈦電極可進行水的電解反應，即“本多-藤島效應”（Honda-Fujishima Effect） ^[14]  ，打開了二氧化鈦在光催化領域應用的大門。 ^[5]  1972年，《Nature》發表了Fujishima和Honda關於光催化在光解水領域的研究。 ^[2]  開創了光催化研究的新篇章 ^[14]  。

1976年，Garey等開拓了光觸媒在環保領域的應用，利用光催化降解水中污染物。此後，拓展半導體光觸媒材料在生活科學方面的應用領域，將光能轉化為其他能量便成了主要的研究方向。 ^[2] 

2015年，日本一公司開發了一種新型光觸媒粒子，有望解決水不足問題。該粒子是由沸石粒子與二氧化鈦微粒所構成，在紫外線照射下充分混合於污水中，可使污水淨化成可飲用的程度。新型光觸媒淨水設備相當簡便且高效，1天可淨化高達3噸的水。高效清潔的光觸媒材料在以節能為主題的時代，受到人們的強烈關注。 ^[6] 

光觸媒光催化氧化是以N型半導體的能帶理論為基礎，半導體材料具有與金屬不同的不連續能帶結構，一般由填滿電子的低能價帶和含有空穴的高能導帶構成，價帶和導帶之間存在禁帶。當用能量等於或大於禁帶寬度(又稱帶隙)的光照射時，價帶上的電子(eˉ)會被激發躍遷至導帶，在價帶上產生相應的電子空穴(h⁺)並在電場的作用下分離遷移到表面。 ^[3] 

熱力學理論表明，分佈在表面的光生空穴因具有很強的吸電子能力，可將吸附在TiO₂表面上的OH^-和H₂O分子氧化成羥基自由基等。羥基自由基的氧化能力極強，可強效分解各種具有不穩定化學鍵的有機化合物和部分無機物，將其最終降解為H₂O、CO₂等無害的小分子物質，並可破壞細菌的細胞膜和凝固病毒的蛋白質載體。 ^[3] 

光觸媒代表物質是TiO₂，其化學穩定性高，且經美國食品藥物管理局（FDA）認可為安全物質，對人體並無傷害，在食品、日常生活用品、化妝品、醫藥、養殖業中普遍採用。 ^{[3]  [7]} 

光觸媒吸收自然光後具有強吸收電子的能力，即強氧化性，能有效催化分解有害有機、無機物質，也能消除細菌和病毒。例如，光觸媒能將室內有害揮發性有機物甲醛、二氯苯、甲苯、二甲苯、TVOC等降解為無毒無害的小分子水和CO₂。 ^[1]  同時，也可以將細菌真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。 ^[8] 

光觸媒原液具有速乾性的特性，塗於基材表面後即能速幹並變成非水溶性物質，10天內便可達到相當於鉛筆4H的硬度。 ^[7]  在環境污染不嚴重的條件下，只要不磨損、不剝落，光觸媒本身不會發生變化和損耗。在光的照射下可以持續不斷的淨化污染物，具有時間持久、持續作用的優點。但如果環境污染比較嚴重時，一些硫酸根和硝酸根離子會影響光觸媒的壽命和效果，出現失活現象，但是可以通過相關技術工藝恢復其活性。 ^[8] 

通常情況下，光觸媒塗覆表面與水有較大的接觸角，但經紫外光照射後，與水接觸角減小到5°以下，甚至可達到0°，即水滴完全浸潤在光觸媒表面，顯示非常強的超親水性。停止光照後,表面超親水性可維持數小時到一週左右，隨後慢慢恢復到照射前的疏水狀態。再用紫外光照射，又可表現為超親水性，採用間歇紫外光照射就可以使表面始終保持超親水狀態。 ^[3] 

經光觸媒加工的表面，通過紫外線的照射後受到激發，可以把接觸的有機物分解掉，不僅起到殺菌作用，還能將有害物質分解為無害小分子物質。同時由於光照條件下表現出的超親水特性，當灰塵落於光觸媒塗層上時，只需以清水清洗便達到潔淨表面的目的。 ^[3] 

光觸媒受光照後產生羥基自由基，與空氣中的有機物質反應後生成無毒的無機物，能有效分解甲醛、苯、氨氣等，將其轉化成H₂O和CO₂，氧化除去大氣中的氨氮化物、硫化物以及各類臭氣，起到空氣淨化的作用。實驗研究表明，光觸媒對空氣污染物的降解與其濃度有關，低濃度的甲醛可完全被光觸媒光催化分解為H₂O和CO₂，而在較高濃度時，則先被氧化成HCOOH等中間體，然後在分解成H₂O和CO₂。 ^[8] 

紡織品中或多或少都含有微量的甲醛或者其它有害物質，經過光觸媒處理後的不僅可以有效的降低甲醛等有害物質的含量，而且紡織品在使用過程中也容易清洗。 ^[9] 

傳統地板精油只是養護地板的作用，而通過添加光觸媒，製作成光觸媒木質精油，實現了對地板保養的同時，還起到淨化空氣除甲醛的作用，尤其是當地板見光性好時，光觸媒作用更強。 ^[10] 

將光觸媒溶膠通過提拉、旋轉、噴塗、塗抹等方法覆着在建築瓷磚的表面, 再經過焙燒使之在瓷磚表面形成一層堅固的光催化劑膜。這種光催化瓷磚具有分解油污、殺菌滅菌等功能, 可以用於廚房、衞生間的牆面。實驗測試結果表明，抗菌性陶瓷製品上的細菌生存數還不到普通陶瓷製品的1%。這種抗菌效果能有效防止處於陰暗潮濕、不易清潔的衞生潔具(如大、小便器)上的細菌繁殖和生長，並能防止尿液結垢及惡臭味的產生，具有很大的市場潛力。 ^[8] 

光觸媒在光照條件下可使水中的羥基、滷代物、羧酸等物質發生氧化還原反應並逐步降解，最終變成無害小分子物質。在太陽光照射下，採用納米TiO₂負載的海泡石處理橄欖油廢水去除效率達80%。 ^[11] 

納米光觸媒具有很強的散射和吸收紫外線的能力，並將這種光能轉化為化學能，因而具有抗紫外線及防止褪色、老化的功能。將納米光觸媒溶液加入到塗層劑中，用來對棉織物進行塗層整理，可以得到抗紫外線良好的針織物。 ^[3] 

瀝青在熱、氧氣、陽光等環境因素作用下會發生一系列揮發、氧化、聚合,導致其路用性能劣化。一般地區的太陽輻射影響有限，所以瀝青質量控制中主要考慮熱老化，但對於青海、西藏等高海拔地區,空氣稀薄，太陽輻射強烈，紫外線老化嚴重影響瀝青混凝土路面的使用壽命。納米 TiO₂具有獨特的紫外線屏蔽功能，且化學性質穩定，能較大程度地改善聚丙烯等材料的耐老化性能，將納米TiO₂摻入瀝青，能改善瀝青抗紫外線老化能力的影響。 ^[12] 

TiO₂ 光觸媒尤其是對人體有害的中長波紫外線的吸收能力很強，並且可透過可見光，無毒無味，無刺激性，加之可以隨意着色，價格便宜，被廣泛應用於防曬化妝品中。 ^[8] 

陽光照射後的 TiO₂ 薄膜表面具有很好的潤濕性，具有良好的光誘導超親水性，TiO₂ 的這種親水性與光催化性使有機污物和無機污物均不容易附着在鍍膜表面，並在自然雨水的沖刷下清洗表面。有光誘導親水性作為提升，再借助於 TiO₂ 的光催化性才使負載有 TiO₂薄膜的鍍膜具有自清潔的性能。 ^[11] 

光觸媒TiO₂應用於汽車玻璃，可有效防止雨天結霧、掛珠，保持後視鏡及前窗玻璃的乾淨明亮，有利於汽車安全駕駛。TiO₂經特殊處理後濺鍍於玻璃上並形成薄膜，使具有防霧功能。當玻璃遇水且接受光源時，表面不結水滴而形成水膜，且在玻璃乾燥後不會造成水痕。 ^[3] 

陶瓷、衞浴在給人們帶來生活便利的同時，也附帶產生了一個問題——衞生清潔，這是一直以來困擾了人們的問題，尤其是馬桶，洗漱盆等，長期使用後都會產生一定的異味或者污垢，普通清潔有很難去除，在經過多年實踐應用後，光觸媒被很好的融合到了陶瓷、衞浴的生產工藝，通過在陶瓷表面負載一層光觸媒，不僅易於清潔，而且還有助於分解異味，防止污垢附着，極大的提高了陶瓷產品的清潔容易度。 ^[10] 

光催化最新的應用是用於疾病治療，並且藤島昭研發的光催化捕蚊器更是已經在瘧疾肆虐的地區開始使用。 ^[13-14]