為什么納米二氧化鈦能作為光催化材料??

【專家解說】：通俗意義上講觸媒就是催化劑的意思，光觸媒顧名思義就是光催化劑。催化劑是加速化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，其本身并不參與反應(yīng)。光催化劑就是在光子的激發(fā)下能夠起到催化作用的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱。光催化技術(shù)是在20世紀(jì)70年代誕生的基礎(chǔ)納米技術(shù)，在中國大陸我們會(huì)用光觸媒這個(gè)通俗詞來稱呼光催化劑。典型的天然光催化劑就是我們常見的葉綠素，在植物的光合作用中促進(jìn)空氣中的二氧化碳和水合成為氧氣和碳水化合物?？偟膩碚f納米光觸媒技術(shù)是一種納米仿生技術(shù)，用于環(huán)境凈化，自清潔材料，先進(jìn)新能源，癌癥醫(yī)療，高效率抗菌等多個(gè)前沿領(lǐng)域。 世界上能作為光觸媒的材料眾多，包括二氧化鈦(TiO2),氧化鋅(ZnO),氧化錫(SnO2),二氧化鋯(ZrO2)，硫化鎘(CdS)等多種氧化物硫化物半導(dǎo)體，其中二氧化鈦(Titanium Dioxide)因其氧化能力強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定無毒，成為世界上最當(dāng)紅的納米光觸媒材料。在早期，也曾經(jīng)較多使用硫化鎘(CdS)和氧化鋅(ZnO)作為光觸媒材料，但是由于這兩者的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，會(huì)在光催化的同時(shí)發(fā)生光溶解，溶出有害的金屬離子具有一定的生物毒性，故發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)很少將它們用作為民用光催化材料，部分工業(yè)光催化領(lǐng)域還在使用。二氧化鈦是一種半導(dǎo)體，分別具有銳鈦礦(Anatase)，金紅石(Rutile)及板鈦礦(Brookite)三種晶體結(jié)構(gòu)，其中只有銳鈦礦結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)具有光催化特性。 二氧化鈦是氧化物半導(dǎo)體的一種，是世界上產(chǎn)量非常大的一種基礎(chǔ)化工原料，普通的二氧化鈦一般稱為體相半導(dǎo)體以與納米二氧化鈦相區(qū)分。具有Anatase或者Rutile結(jié)構(gòu)的二氧化鈦在具有一定能量的光子激發(fā)下[光子激發(fā)原理參考光觸媒反應(yīng)原理]能使分子軌道中的電子離開價(jià)帶(Valence band)躍遷至導(dǎo)帶(conduction band)。從而在材料價(jià)帶形成光生空穴[Hole+]，在導(dǎo)帶形成光生電子[e-],在體相二氧化鈦中由于二氧化鈦顆粒很大，光生電子在到達(dá)導(dǎo)帶開始向顆粒表面活動(dòng)的過程中很容易與光生空穴復(fù)合，從而從宏觀上我們無法觀察到光子激發(fā)的效果。但是納米的二氧化鈦顆粒由于尺寸很小，所以電子比較容易擴(kuò)散到晶體表面，導(dǎo)致原本不帶電的晶體表面的2個(gè)不同部分出現(xiàn)了極性相反的2個(gè)微區(qū)-光生電子和光生空穴。由于光生電子和光生空穴都有很強(qiáng)的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出一般有機(jī)污染物的分子鏈的強(qiáng)度，所以可以輕易將有機(jī)污染物分解成最原始的狀態(tài)。同時(shí)光生空穴還能與空氣中的水分子形成反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧自由基亦可分解有機(jī)污染物并且殺滅細(xì)菌病毒。這種在一個(gè)區(qū)域內(nèi)2個(gè)微區(qū)截然相反的性質(zhì)并且共同達(dá)到效果的過程是納米技術(shù)典型的應(yīng)用，一般稱之為二元論。該反應(yīng)微區(qū)稱之為二元協(xié)同界面。 從上面介紹我們可以看到，二氧化鈦的光催化反應(yīng)過程，很大程度依靠第一步的光子激發(fā)，所以有足夠激發(fā)二氧化鈦的光子，才能提供足夠的能量，我們也可以知道，光催化反應(yīng)并不是憑空產(chǎn)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(lián)合國將光觸媒開發(fā)列為21世紀(jì)太陽能利用計(jì)劃的重要組成部分。 什么樣的光子能激發(fā)二氧化鈦呢，從理論結(jié)構(gòu)上來說，銳鈦二氧化鈦的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的間隙[我們稱之為能隙]是3.2eV 而金紅石二氧化鈦為3.0eV,所以金紅石需要光能大于3.0eV的光子而銳鈦需要大于3.2eV的光子。光子的能量E與波長λ(Lambda)與之具有反比關(guān)系E = h C / λ，所以可以知道波長小于380nm的光可以激發(fā)銳鈦型二氧化鈦。雖然銳鈦礦需要略多的能量來激發(fā)，但是同樣的銳鈦礦的二氧化鈦光觸媒具有更強(qiáng)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(shí)，銳鈦礦要比金紅石更為穩(wěn)定，這也是很多納米光觸媒采用銳鈦型的原因。 當(dāng)然，隨著科技的進(jìn)步人類能夠已經(jīng)突破了380nm的界限，研發(fā)出在可見光下也有響應(yīng)的光觸媒產(chǎn)品，在日本有3家企業(yè)掌握真正的可見光響應(yīng)技術(shù)，2005年泰坦光能也推出了國內(nèi)首款自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可見光增強(qiáng)光觸媒，可見光下性能達(dá)到普通光觸媒的10倍，已申請(qǐng)國家專利，相信隨著可見光響應(yīng)技術(shù)在中國的推廣,光觸媒的應(yīng)用會(huì)更廣泛更進(jìn)一步