光觸媒

1967年，日本東京大學的本多建一教授和博士班學生藤島昭發現，用光照射二氧化鈦電極可進行水的電解反應。這就是著名的“本多作用的光催化反應”，將空氣中的水或氧氣催化成氧化能力極強的羥基自由基（·OH）和超氧陰離子自由基（O2·）、活性氧（HO2·，H2O2）等具有極強氧化能力的光生活性基團，這些光生活性基團的能量相當於3600K的高溫，具有很強的氧化性，

這些強氧化性基團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，並可破壞細菌的細胞膜和凝固病毒的蛋白質載體。

2015年4月，日本研發最新的光觸媒凈水技術，可望為全球28億人解渴。日本松下公司正開發一種新型光觸媒粒子，可望解決水不足問題。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，可使污水凈化成可飲用的程度。新型光觸媒凈水設備相當簡便，且1天可凈化高達3噸的水，可供應相當於印度20戶家庭的每日用水，而凈化每噸水所需費用約為500日元，約人民幣26元。

此技術是將特殊光觸媒粉末倒入污水中，照射紫外線即可分解水中有毒金屬，凈化成飲用水，此技術也可用於整治受污染河川，且對環境生態無害。

光觸媒材料主要有納米TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2等，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，而貴金屬成本則過高，都不適合作為家居凈化空氣用光催化劑。

在所有的光觸媒材料中，納米TiO2不僅具有很高的光催化活性，且具有耐酸鹼腐蝕、耐化學腐蝕、無毒等優點，價格也適中，具有較高的性價比，因而市場上大多使用納米二氧化鈦作為主要原材料。

納米二氧化鈦（TiO2）是一種半導體，主要有銳鈦型（Anatase），金紅石型（Rutile）及板鈦型（Brookite）三種晶體結構，其中：

板鈦型晶體穩定性差，一般認為不具備光催化活性。

金紅石型晶體具有比銳鈦型晶體更強的光催化性能，耐候性和附著性也很好，納米無機包復穩定，市場價格高於銳鈦型晶體。

納米氧化鋅（ZnO）粒徑介於1-100 nm之間，是一種面向21世紀的新型高功能精細無機產品，表現出許多特殊的性質，如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等，利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能，可製造氣體感測器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。在橡膠、陶瓷、紡織、印染、國防工業領域具有廣泛的應用。

納米二氧化鋯（ZrO2）呈高純度白色粉末狀，無臭、無味。低溫時為單斜晶系，高溫時為四方晶型。具有高的折射率（折射率2.2）和耐高溫性。有良好的熱化學穩定性、高溫導電性和較高的高溫強度和韌性，具有良好的機械、熱學、電學、光學性質。其中HT-ZrO-01為單斜晶型，HT-ZrO-02為四方晶型。納米氧化鋯顆粒尺寸微小、是很穩定的氧化物，具有耐酸、耐鹼、耐腐蝕、耐高溫的性能，可用於功能陶瓷和結構陶瓷，以及寶石材料。

光觸媒[Photocatalyst]是光[Photo=Light]+觸媒（催化劑）[catalyst]的合成詞。光觸媒是一種以納米級二氧化鈦為代表的具有光催化功能的光半導體材料的總稱，是當前國際上治理室內環境污染的最理想材料。

光觸媒在光的照射下，會產生類似光合作用的光催化反應，產生出氧化能力極強的自由氫氧基和活性氧，具有很強的光氧化還原功能，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，能破壞細菌的細胞膜和固化病毒的蛋白質，可殺滅細菌和分解有機污染物，把有機污染物分解成無污染的水（H2O）和二氧化碳（CO2），因而具有極強的殺菌、除臭、防霉、防污自潔、凈化空氣功能。

光觸媒的特性為利用空氣中的氧分子及水分子將所接觸的有機物轉換為二氧化碳跟水，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質，理論上有效期非常長久，維護費用低。同時，二氧化鈦本身無毒無害，已廣泛用於食品、醫藥、化妝品等各種領域。

負離子光觸媒系選用天然極性礦物材料、納米材料、無機抗菌材料等材料複合而成的高性能、多功能空氣凈化產品。本產品可自行吸收自然環境中的光能、熱能以及電磁波等各種能量，在產品表面產生具有強氧化能力的電子—空穴對，從而有效地分解消除室內甲醛、苯、氨等各種有害氣體和致病菌，強大的微觀電場可電離空氣中的水分子產生大量的羥基負離子，對有害物質進行包裹沉降，達到徹底凈化空氣、有益人體健康的目的。

光觸媒在特定波長（388nm）的光照射下，會產生類似植物中葉綠素光合作用的一系列能量轉化過程，把光能轉化為化學能而賦予光觸媒表面很強的氧化能力，可氧化分解各種有機化合物和礦化部分無機物，並具有抗菌的作用。在光照射下，光觸媒能吸收相當於帶隙能量以下的光能，使其表面發生激勵而產生電子(e-)和空穴(h+)。這些電子和空穴具有很強的還原和氧化能力，能與水或容存的氧反應，產生氫氧根自由基（·OH）和超級陰氧離子（·O）。如表1所示，這些空穴和氫氧根自由基的氧化能大於120kcal/mol，具有很強的氧化能力，幾乎能將所有構成有機物分子的化學鍵切斷分解。因此可以將各種有害化學物質、惡臭物質分解或無害化處理，達到凈化空氣、抗污除臭的作用。

表1：各種化學鍵的氧化能

化學鍵 正孔和氫氧根自由基 碳-碳鍵 碳-氫鍵 碳-氮鍵 碳-氧鍵 氧-氫鍵 氮-氫鍵

氧化能（kcal/mol） >120 83 99 73 84 111 93此外，如表2所示，氫氧根自由基比作為消毒殺菌劑被廣泛使用的次氯酸、雙氧水和臭氧等具有更強的氧化能力，二氧化鈦通過這種氧化能力破壞了細胞內的輔酶A等輔酶和呼吸作用酶等發揮抗菌作用而使細菌或真菌的繁殖中止；同時當帶正電荷的空穴接觸到帶負電荷的微生物細胞后，依據庫倫引力，相互吸附，並有效地擊穿細胞膜，使細胞蛋白質變性，無法再呼吸、代謝和繁殖，直至細胞死亡，完成滅菌；並能將細菌或真菌釋放出的毒素分解。

表2：各種氧化劑的氧化電位

氧化劑 氧化電位（伏特）相對氧化電位（對數值）

氫氧根自由基 2.80 2.05

氧原子 2.42 1.78

臭氧 2.07 1.52

雙氧水 1.77 1.30

雙氧自由基 1.70 1.25

次氯酸 1.49 1.10

氯氣 1.36 1.00

一般科學意義上的光觸媒是單質粉末狀的，而進入市場大多是混合液態狀的，這個必須要區別開來。

截至2013年，還沒有用肉眼區分光觸媒優劣的可靠方法，選擇光觸媒要謹記一點：

光觸媒是目前國際上最安全和最潔凈的環境凈化材料，在歐美和日本、韓國等區域廣泛運用，美國宇航空間站凈化工程、海上油污降解工程和日本公交公司消毒工程均使用光觸媒進行處理。

光觸媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物，並具有高效廣泛的消毒性能，能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。

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凈化污染物，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，會出現失活現象，可以通過相關技術工藝回復活性。

無毒、無害，對人體安全可靠；不會產生二次污染。

一般把光觸媒稱為是半永久凈化材料，光觸媒有效期長短可參考日本公交系統的消毒制度，日本公交車使用光觸媒噴塗后，5年內可不進行其他消毒方式，由此可認為：公用場所，使用優質光觸媒噴塗后，凈化殺菌效果至少可保證5年。

（以市面最多的光觸媒納米二氧化鈦為例）。

純凈的納米二氧化鈦粉末，只能吸收400nm以下的紫外光，在自然環境下，紫外光佔有比例較低，不足自然光的10%，因而純凈的納米二氧化鈦基本沒有光觸媒的功效。

所以，為使二氧化鈦可以吸收可見光，甚至吸收遠紅外光，必須採用特殊材料的配製摻雜技術。

比如採用固相合成、過渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機絡合物、表面敏化、半導體複合等多種方法，對光觸媒進行可見光誘導。2000年以來，還發現納米貴金屬（鉑、銠、鈀等）與光觸媒材料進行配位螯合后，會極大提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新複合，從而進一步拓寬了二氧化鈦的光波吸收範圍，這些納米貴金屬也被稱為“光觸媒的維生素”。日本汽車尾氣凈化裝置已大量使用納米貴金屬製成的催化劑。

純凈光觸媒技術只能在紫外光下作用，這已經是2000年前的技術了。21世紀國際光觸媒技術的發展方向是化學配位鍵螯合功能元素摻雜技術，使用這種技術可以極大增強光觸媒材料的光催化協同效應，從而可以吸收可見光，甚至可以吸收遠紅外光。

2003年，中國首先發明遠紅外光觸媒技術，標誌著在光觸媒的光波吸收技術上，已經超出世界水平。【見中國化工信息中心《查新報告（2003-021）》】

光觸媒產品經受氣候的考驗，如物理磨損、冷熱、自身晶格缺陷等造成的綜合破壞，其耐受能力叫耐候性。

純凈的光觸媒粉末不具有實用性，很簡單，風一吹就沒了，所以必須做成粘合型的溶液，而且溶液乾燥後會吸附在各類傢具表面，不容易磨損及掉落。要實現這個性能，不添加黏合劑是做不到的，所以不含黏合劑的光觸媒溶液產品要麼是炒作，要麼就是乾燥後會大量掉落。

純凈光觸媒在光照射下，除了能發生光催化反應外，還會發生光化學活性反應，這種光化學活性反應是由光觸媒內在晶格缺陷引起的，這種反應會釋放新生態氧[O]，新生態氧通過物質遷移，與光觸媒本身及傢具表面材料進行反應，會導致物質有機聚合物氧化、降解，最終造成塗膜的粉化和失光，縮短其使用壽命，造成傢具表面失色或斑駁。所以，必須要對光觸媒進行特殊工藝的無機包復，從根本上解決光觸媒的光化學活性反應問題。

由上兩條可知，將光觸媒產品是否純凈，是否含有分散劑作為評價光觸媒性能是否優劣的標準是不科學的。

純凈的光觸媒只能吸收紫外光，可吸收可見光甚至遠紅外光的光觸媒必然螯合了其他活性催化材料。

光觸媒本身是一種催化劑，不直接參與降解反應，它通過吸收光能把水或氧氣轉化成強氧化活性基團，而強氧化活性基團使空氣污染物降解，所以必須直接接觸到水分子或氧分子。

因而，在濃度因素中，決定光觸媒性能的是有效接觸濃度，即可以與水或空氣接觸的光觸媒濃度，而不是某一種產品的濃度。比如一塊二氧化鈦瓷磚，如果大量的二氧化鈦被封閉在瓷磚內部，就算濃度再高，又有什麼意義呢？

在噴塗產品中，有效接觸濃度不僅與溶液中光觸媒濃度有關，而且與噴塗工具、噴塗手法等現場工藝有關。另外，與產品附著性也直接相關，如果幹燥后出現大量剝落，就算初始“濃度”再高，又有什麼意義？

而且一般光催化反應都是多相光催化過程，反應過程都在界面發生。光催化反應效率由催化劑自身的量子效率和反應過程條件兩個方面決定。光催化材料表面的微觀結構也很重要，它直接影響了光催化反應的效率。好的光催化材料微觀表面應該是粗糙的、凹凸不平的（以原子力顯微鏡微觀結構照片為準就像遍布隕石坑的月球表面），這樣可以增加捕捉甲醛、VOC等有機物氣體分子的機率，產生納米界面材料的二元協同效應進而增強降解凈化能力。

根據不同光觸媒材質不同而不同，一般認為，納米細度大於50納米的光觸媒基本不具備光活性，30納米以下較佳。純凈光觸媒的納米細度可以做到5納米左右，但只能在紫外光條件下作用。螯合了活性催化元素的光觸媒一般分子直徑較大，因為螯合元素越多，直徑自然越大，當然，螯合越多，光波吸收範圍也越寬，螯合型光觸媒產品的最佳納米細度為8~10納米。

一般情況下，在相同光波吸收範圍下，光觸媒納米細度越小，催化性能越強，但納米細度也不可能無限降低，一是細度越小，製作成本越高，性價比不高，二是光具有波粒二象性，當材料納米細度少於一定程度后，會降低粒子性光能的吸收率，三是細度越小，後期越容易團聚。故優質光觸媒一般納米細度均為5~10納米。

光觸媒在進行光催化反應的時候，會產生超氧陰離子自由基（O2·），伴生負氧離子。

但可以達到最佳的負氧離子釋放功效的光觸媒，必須是可吸收遠紅外光譜，只有這樣，白天、晚上及無光的櫥櫃里，才可全天候釋放負氧離子。

逾10年行業成熟治理技術，最前沿的安全解決裝修和新車污染治理產品之一，當前國際上治理室內環境污染殺菌最理想的材料。

產品特點：源頭分解，持久凈化，除甲醛，治理甲醛中毒

使用範圍：新裝修、新傢具、新車

主要成分：納米級二氧化鈦

安全性能：食品級安全性，無毒、無害，對人體安全可靠，不會產生二次污染。二氧化鈦是FDA(美國食品及藥物管理局)規定可作為所有食品著色劑使用。

做最好的光觸媒：治理時只需一次噴塗即可，在常溫下迅速固化。二氧化鈦膠體濃度大於1%，納米粒徑小(5納米左右)，納米顆粒均勻，只有二氧化鈦和水，無氣味、無分散劑、無黏結劑、不含重金屬，分散均勻，無沉澱，穩定性好，長期放置不會分層，附著力好，晶型為銳鈦礦型，且晶化度好，褪色性能好，光響應範圍移動至波長為600nm的可見光區，PH值中性(5.5~8.5)，乳白色。

1、產品參數:

二氧化鈦濃度:1.18%，常用光觸媒濃度0.5-0.8%，若無添加劑，光觸媒濃度達到1%時，性能已經非常優異。

光觸媒粒徑：平均粒徑大小約為5NM，除實驗室外，國際上在規模化生產中能達到10納米以下的還很少。

分散技術：無需添加分散劑就能使光觸媒分散均勻、狀態穩定，長時間放置不分層。分散技術是光觸媒的專利技術之一。納米二氧化鈦粒子容易團聚，如果分散技術不好，將會形成較大個體的二氧化鈦顆粒，這與光觸媒技術要求的納米技術(大比表面積)相違背，處理能力急劇下降。

粘合技術：不需添加任何黏結劑，附著力達到最高級黏度0級。

可見光技術：光催化對光的響應範圍移動至波長為600nm的可見光區，在非常微弱的光線條件下，光觸媒也能發揮作用。據資料顯示，達到550nm的產品幾乎還無法進行批量生產。

防二次污染技術：光觸媒成分只有二氧化鈦和水，不含可能引起過敏的重金屬。

2、污染物降解率

甲醛降解率:12小時70.9%、24小時91.1%、36小時94.3%。

苯降解率:12小時78.1%、24小時95.7%、36小時97.2%。

氨降解率:12小時66.7%、24小時88.3%、36小時92%。

TVOC降解率:12小時74.5%、24小時93.9%、36小時96.5%。

強效抗菌：對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯氏菌等抗菌率均為99.99%。

有效防霉：達徠到最高防霉等級0級。

光觸媒作為新興的空氣凈化產品，越來越多的應用於車內的空氣凈化，如凈呼吸光觸媒等，主要有以下功能:

對甲醛、苯、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影響人類身體健康的有害有機物起到凈化作用。

釋放負氧離子，中科院理化技術研究所對國內某光觸媒進行檢測后發現，使用優質遠紅外光觸媒噴塗100平米建築面積的房間，相當於種了25棵白樺樹的凈化效果。

對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等具有殺菌功效。在殺菌的同時還能分解由細菌死體上釋放 出的有害複合物。

對香煙臭、廁所臭、垃圾臭、動物臭等具有除臭功效。

防止油污、灰塵等產生。對浴室中的黴菌、水銹、便器的黃鹼及鐵鏽和塗染面褪色等 現象同樣具有防止其產生的功效。

具有水污染的凈化及水中有機有害物質的凈化功能，且表面具有超親水性，有防霧、易洗、易乾的效果。

紡織品或多或少都含有微量的甲醛或者其它有害物質，經過光觸媒處理后的紡織品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。

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，還起到凈化空氣除甲醛的作用，尤其是地板見光性好，光觸媒作用更強。

陶瓷、衛浴在給人們帶來生活便利的同時，也附帶產生了一個問題——衛生清潔，這是一直以來困擾了人們的問題，尤其是馬桶，洗漱盆等，長期使用后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后，光觸媒被很好的融合到了陶瓷、衛浴的生產工藝，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，防止污垢附著，極大的提高了陶瓷產品的清潔容易度。