纳米技术对光催化空气净化器的改良
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小组成员:胡赫、郇延菁、黄鑫、赖婷婷、刘兆生
研究前景：
空气质量问题日益严峻。
随着我国国民经济持续高速增长，环境污染日趋严重， 生存环境问题日益突出。特别是室内空气品质的恶化，导 致大城市人群中肺癌和流行性疾病的发生率和死亡率高发， 空气净化器的研究迫在眉睫. 旧的空气净化器不能满足需求 从其净化机理看，大致可分为两类：即物理吸附型和 离子化型。主要是通过一层或几层滤膜，将空气中的污染 物和悬浮颗粒物附着于滤膜之上，或通过静电吸附捕集大 范围粒径尺寸的室内空气颗粒物，从而使空气得到净化。 这两种净化器各有千秋，但都无法从根本上完全净化室内 空气。
② 小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意 波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺 寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使 其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇” 的现象。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转 变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元 件、红外隐身技术等等。
③ 量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电 子能级由连续态分裂成分立能级。量子尺寸效应带 来的能级改变、能隙变宽，使微粒的发射能量增加 ，光学吸收向短波长方向移动（蓝移），直观上表 现为样品颜色的变化，如CdS微粒由黄色逐渐变为浅 黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。同时 ，纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非 线性响应，还原及氧化能力增强，从而具有更优异 的光电催化活性
但是光催化空气净化器的过滤段的核心是光催化剂，普 通光催化剂存在其缺陷
一般的光催化剂都存在吸收波长过短，或者吸收波长
过高过低不能满足现实需要的缺点。不吸收光波就无 法激发电子，净化空气无从谈起。
其中早期使用的光催化还存在自身光化学稳定性差的
缺陷，或者本身就具有毒性。
该怎么办呢？
如果能使特定的吸收波长产生变化是不是可以解决吸
新型的纳米TiO2光催化空气净化器
纳米TiO2光催化是利用TiO2作为催化剂的光催化过程，反应条件温和，
光解迅速，产物为CO2和H2O，而且适用范围广，包括烃、醇、醛、酮 等有机物，都能通过TiO2光催化清除。其机理主要是光催化剂二氧化 钛吸收光子，与表面的水反应产生羟基自由基(•OH)和活性氧物质（•O， H2O2），其中羟基自由基(•OH)是光催化反应的一种主要的活性物质， 对光催化氧化起决定作用。羟基自由基具有120kJ/mol的反应能，高于 有机物中的各类化学键能，如：C-C(83kJ/mol)，C-H(99 kJ/mol)，CN(73kJ/mol)，C-O(84kJ/mol)，H-O (111kJ/mol)，N-H(93 kJ/mol)， 因而能迅速有效地分解挥发性有机物和构成细菌的有机物，再加上其 它活性氧物质(•O，H2O2)的协同作用，其杀菌效果更为迅速。活性羟 基，超氧离子和双氧水都可与生物大分子如脂类，蛋白质，酶类以及 核酸大分子反应，直接损害或通过一系列氧化链式反应对生物细胞结 构引起广泛的损害性破坏，使细菌蛋白质变异和脂类分解，破坏病毒 颗粒的RNA，达到杀灭细菌的目的，同时TiO2的光催化剂还可降解细菌 释放出的有毒复合物，攻击细菌的外层细胞，穿透细胞膜，破坏细菌 的内部结构，从而彻底的杀灭细菌。克服了传统的杀菌方法用杀菌剂 银、铜等杀菌产生热和有毒组分的缺陷。
光催化空气净化器的优点
光催化不消耗（或很少消耗）地球能源，不使用有害
的化学药品，而仅仅利用光能就可将环境污染物在低 浓度的状态下消除净化，并且还可作为抗菌剂、防霉 剂、除臭剂、自净材料应用，比较符合当今时代能源 紧缺的时代背景，因而成为环境净化中最具活力的技 术之一。
旧光催化空气净化器的不足之处
关于光催化的原理
（POM）光催化化学研究始于20世纪80年代初。POM含有 d0电子构型的过渡金属原子和2p电子构型的氧原子。 氧原子中的2p电子向过渡金属M的5d空轨道跃迁，即OM的电荷跃迁（oxygen-to-metal charge-transfer,简 写为OMCT）。按照分子轨道理论，POM分子吸收光以 后（选择吸收），其分子中的电子由最高占有轨道 （HOMO）被激发到最低未占用轨道（LUMO），形成激 发态的POM*，POM*具有较强的氧化能力，可以氧化其 他物质而本身被还原为杂多蓝（POM-）。
空气净化器概述
空气净化器（又称“空气Fra Baidu bibliotek洁器”、空气清新机），
是指能够吸附、分解或转化各种空气污染物（一般包 括粉尘、花粉、异味、甲醛之类的装修污染、细菌、 过敏原等），有效提高空气清洁度的产品。空气净化 器主要构成有：机箱外壳、过滤段、风道设计、电机、 电源、液晶显示屏等 决定寿命的是电机，决定净化效能的是过滤段，决定 是否安静的是风道设计、机箱外壳、过滤段、电机。 （目前主要的技术革新都是集中在过滤段，在其发展 历程中经历了：早期光催化及如今的纳米等其他的新 型材料光催化。）
纳米技术对光催化空气净化器的 改良
在光催化领域，锐钛型TiO2是公认的最有效的光催化
剂，但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，通常只能吸收波 长小于387nm的紫外辐射，且其光量子效率不高，限 制了TiO2光催化的效率。与普通TiO2相比，纳米TiO2 量子阱中热载流子冷却速度下降，提高了光催化反应 的光量子产率。同时，有效减少了光生电子和光生空 穴的复合，使更多的电子和空穴参与反应。纳米粒子 的比表面积大，表面能高，可以更好地吸附环境中的 有机污染物，有利于光催化反应的进行，提高了光催 化材料的活性[5]。
收波长的问题，增加催化效率？
是不是可以选择一种更加稳定无毒的光催化剂？或者
对现有的催化剂进行改良？比如掺杂一些金属或者非 金属元素？比如制成纳米量级？
纳米材料的特性
广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处
在纳米尺度范围（0.1nm~100nm）或由他们作为基本 单元构成的材料。 ① 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒 径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。极其 高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属 纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体 等等。
光催化空气净化器的优点
在一定光源的照射下，在光催化剂的导带和价带中分
别形成自由电子和电子孔穴，它们可有效地氧化或还 原吸附在催化剂表面上的有害气体分子，杀灭细菌和 病毒，并能将有害有机物、细菌等。光催化净化环境 没有任何二次污染。所以，光催化技术既不同于传统 的物理净化法（仅将污染物捕捉和转移），也区别于 传统的化学法（以“毒”攻“毒”），它是在光作用 下对污染物的矿化，无任何二次污染，已被普遍认为 是最有发展前途的室内空气净化有效手段之一
研究前景：
空气质量问题日益严峻。
随着我国国民经济持续高速增长，环境污染日趋严重， 生存环境问题日益突出。特别是室内空气品质的恶化，导 致大城市人群中肺癌和流行性疾病的发生率和死亡率高发， 空气净化器的研究迫在眉睫. 旧的空气净化器不能满足需求 从其净化机理看，大致可分为两类：即物理吸附型和 离子化型。主要是通过一层或几层滤膜，将空气中的污染 物和悬浮颗粒物附着于滤膜之上，或通过静电吸附捕集大 范围粒径尺寸的室内空气颗粒物，从而使空气得到净化。 这两种净化器各有千秋，但都无法从根本上完全净化室内 空气。
② 小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意 波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺 寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使 其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇” 的现象。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转 变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元 件、红外隐身技术等等。
③ 量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电 子能级由连续态分裂成分立能级。量子尺寸效应带 来的能级改变、能隙变宽，使微粒的发射能量增加 ，光学吸收向短波长方向移动（蓝移），直观上表 现为样品颜色的变化，如CdS微粒由黄色逐渐变为浅 黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。同时 ，纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非 线性响应，还原及氧化能力增强，从而具有更优异 的光电催化活性
但是光催化空气净化器的过滤段的核心是光催化剂，普 通光催化剂存在其缺陷
一般的光催化剂都存在吸收波长过短，或者吸收波长
过高过低不能满足现实需要的缺点。不吸收光波就无 法激发电子，净化空气无从谈起。
其中早期使用的光催化还存在自身光化学稳定性差的
缺陷，或者本身就具有毒性。
该怎么办呢？
如果能使特定的吸收波长产生变化是不是可以解决吸
新型的纳米TiO2光催化空气净化器
纳米TiO2光催化是利用TiO2作为催化剂的光催化过程，反应条件温和，
光解迅速，产物为CO2和H2O，而且适用范围广，包括烃、醇、醛、酮 等有机物，都能通过TiO2光催化清除。其机理主要是光催化剂二氧化 钛吸收光子，与表面的水反应产生羟基自由基(•OH)和活性氧物质（•O， H2O2），其中羟基自由基(•OH)是光催化反应的一种主要的活性物质， 对光催化氧化起决定作用。羟基自由基具有120kJ/mol的反应能，高于 有机物中的各类化学键能，如：C-C(83kJ/mol)，C-H(99 kJ/mol)，CN(73kJ/mol)，C-O(84kJ/mol)，H-O (111kJ/mol)，N-H(93 kJ/mol)， 因而能迅速有效地分解挥发性有机物和构成细菌的有机物，再加上其 它活性氧物质(•O，H2O2)的协同作用，其杀菌效果更为迅速。活性羟 基，超氧离子和双氧水都可与生物大分子如脂类，蛋白质，酶类以及 核酸大分子反应，直接损害或通过一系列氧化链式反应对生物细胞结 构引起广泛的损害性破坏，使细菌蛋白质变异和脂类分解，破坏病毒 颗粒的RNA，达到杀灭细菌的目的，同时TiO2的光催化剂还可降解细菌 释放出的有毒复合物，攻击细菌的外层细胞，穿透细胞膜，破坏细菌 的内部结构，从而彻底的杀灭细菌。克服了传统的杀菌方法用杀菌剂 银、铜等杀菌产生热和有毒组分的缺陷。
光催化空气净化器的优点
光催化不消耗（或很少消耗）地球能源，不使用有害
的化学药品，而仅仅利用光能就可将环境污染物在低 浓度的状态下消除净化，并且还可作为抗菌剂、防霉 剂、除臭剂、自净材料应用，比较符合当今时代能源 紧缺的时代背景，因而成为环境净化中最具活力的技 术之一。
旧光催化空气净化器的不足之处
关于光催化的原理
（POM）光催化化学研究始于20世纪80年代初。POM含有 d0电子构型的过渡金属原子和2p电子构型的氧原子。 氧原子中的2p电子向过渡金属M的5d空轨道跃迁，即OM的电荷跃迁（oxygen-to-metal charge-transfer,简 写为OMCT）。按照分子轨道理论，POM分子吸收光以 后（选择吸收），其分子中的电子由最高占有轨道 （HOMO）被激发到最低未占用轨道（LUMO），形成激 发态的POM*，POM*具有较强的氧化能力，可以氧化其 他物质而本身被还原为杂多蓝（POM-）。
空气净化器概述
空气净化器（又称“空气Fra Baidu bibliotek洁器”、空气清新机），
是指能够吸附、分解或转化各种空气污染物（一般包 括粉尘、花粉、异味、甲醛之类的装修污染、细菌、 过敏原等），有效提高空气清洁度的产品。空气净化 器主要构成有：机箱外壳、过滤段、风道设计、电机、 电源、液晶显示屏等 决定寿命的是电机，决定净化效能的是过滤段，决定 是否安静的是风道设计、机箱外壳、过滤段、电机。 （目前主要的技术革新都是集中在过滤段，在其发展 历程中经历了：早期光催化及如今的纳米等其他的新 型材料光催化。）
纳米技术对光催化空气净化器的 改良
在光催化领域，锐钛型TiO2是公认的最有效的光催化
剂，但是TiO2的禁带宽度为3.2eV，通常只能吸收波 长小于387nm的紫外辐射，且其光量子效率不高，限 制了TiO2光催化的效率。与普通TiO2相比，纳米TiO2 量子阱中热载流子冷却速度下降，提高了光催化反应 的光量子产率。同时，有效减少了光生电子和光生空 穴的复合，使更多的电子和空穴参与反应。纳米粒子 的比表面积大，表面能高，可以更好地吸附环境中的 有机污染物，有利于光催化反应的进行，提高了光催 化材料的活性[5]。
收波长的问题，增加催化效率？
是不是可以选择一种更加稳定无毒的光催化剂？或者
对现有的催化剂进行改良？比如掺杂一些金属或者非 金属元素？比如制成纳米量级？
纳米材料的特性
广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处
在纳米尺度范围（0.1nm~100nm）或由他们作为基本 单元构成的材料。 ① 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒 径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。极其 高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属 纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体 等等。
光催化空气净化器的优点
在一定光源的照射下，在光催化剂的导带和价带中分
别形成自由电子和电子孔穴，它们可有效地氧化或还 原吸附在催化剂表面上的有害气体分子，杀灭细菌和 病毒，并能将有害有机物、细菌等。光催化净化环境 没有任何二次污染。所以，光催化技术既不同于传统 的物理净化法（仅将污染物捕捉和转移），也区别于 传统的化学法（以“毒”攻“毒”），它是在光作用 下对污染物的矿化，无任何二次污染，已被普遍认为 是最有发展前途的室内空气净化有效手段之一