光催化技术

電子/電洞的壽命在10-9-10-12秒之間，如何將反應物移到 TiO2表面反應是重點，故TiO2的奈米化十分重要。
什么是光催化?
概括说来，就是光触媒在外界可见光的作用下
发生催化作用。
光催化一般是多种相态之间的催化反应。 光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）
下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。
光催化的技术特征
（1）低温深度反应：
光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物 完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则 需要在极高的温度下才可将污染物中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的 物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附 法不分解污染物，只是将污染源转移。 （3）绿色能源： 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧 化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。 从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。
具体来说（见下图），在光照下，如果光子的能 量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子（e-）就 会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴（h+）。 激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，并产 生热能或其他形式散发掉。当催化剂存在合适的俘 获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复 合得到抑制，就会在催化剂表面发生氧化—还原反 应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的 还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附 的 H2O ， O2 反应生成氧化性很活波的羟基自由基 （•OH）和超氧离子自由基（•O2-）。能够把各种 有机物氧化直接氧化成CO2、H2O等无机小分子， 而且因为他们的氧化能力强，使一般的氧化反应一 般不停留在中间步骤，不产生中间产物。
二、原理
什麼是光觸媒？
某些物質會吸收特定波長 的光，使其分子達到激發態， 具十分活潑的性質，可與其 他物質進行反應，此種物質 稱之為光觸媒。
目前市面上最常見的就是 二氧化鈦光觸媒。
二氧化钛光触媒反应原理
光催化反應可分為下列几個步 驟，： 1. 反应物、氧氣及水分子吸附 于二氧化钛表面； 2. 经紫外线光照射后，二氧化 钛生生电子及空穴； 3. 电子和空穴被捕捉而分別存 在二氧化鈦表面； 4. 電子空穴与氧及水分子形成 氫氧自由基； 5. 氫氧自由基与反应物进行氧 化反应；
光触媒的特点
1）杀菌：光触媒通过喷涂在物体表面形成光
触媒涂膜。经光线照射后，涂膜表层会产生 具有强氧化性氢氧自由基和活性氧，这两种 离子能穿透细菌的细胞膜，使其细胞质流失 而导致死亡，同时能将细菌尸体分解成CO2 和 H2O，不会产生二次污染，此外还可以有 效的抑制细菌的再生。杀菌能力高达99.99% 以上。

2）防霉：光触媒可氧化分解各种有机化合物
和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病 毒的蛋白质，使细菌和病毒失去活性并被分解， 可以有效的防霉变质，在江南沿海及其它有梅 雨季节的地区有着ห้องสมุดไป่ตู้显的使用。
3）净化空气：因TiO2所产生的氢氧自由基会
先行破坏有机气体分子的能量键，使有机气体 成为单一的气体分子，加快有机物质、气体的 分解， 将空气中的甲醛、苯等各种有机物、氮 氧化物、硫氧化物以及氨等氧化，还原成为无 害物质。分解家居或办公楼的家私、装修使用 的油漆及木地板等建筑材料以及汽车的内饰材 料均会产生大量的有毒气体，从而达到净化空 气的效果
4）除臭：由于其为纳米级产品，比表面积大，
比活性碳、HEAP有更强的吸附力，亦具有活 性碳所没有的分解功效。二氧化钛TiO2比臭氧 （O3）负离子，有更强的氧化能力；光触媒可 强力分解臭源，加快有机物质、有毒气体的分 解，提高空气净化效率。甲醛、乙醛、甲酸、 苯酚、尼古丁等是空气中异臭味的主要来源， 经光触媒的作用能彻底分解以上有机物质，除 去空气中散布的臭味、异味及有毒气体。
光触媒的优点
1）安全。常温条件下就可反应，能耗小，不
易着火。最终产物是二氧化碳和水等无机无害 分子，对人体无害。但张敬畅教授告诉我们， 由于二氧化碳的强氧化性，可能会对针织饰物、 油漆家具表面产生一些破坏。消费者在使用光 触媒时，应该多了解这方面的知识。 2）彻底。光触媒分解空气中各种有害有机物， 解决了传统空气净化方法存在的二次污染问题。
From: Dr P.A. Christensen Research Group
6. 产物再由二氧化鈦表面脫离。
光觸媒反應有效利用之關鍵限制
粒徑大小約1000nm 的二氧化鈦粒子中電 子從體內擴散到表面 需10-7秒，而粒徑大 小約10nm的二氧化鈦 僅需10-11秒，故電子 與電洞複合的機率就 變小。
光催化氧化反应机理
光催化氧化反应以半导体为催化剂，以光为能量，将有机物 降解为CO2和水。反应机理如下： 下图是半导体的能带结构示意图。由图可见，半导体能带结 构与金属不同的是价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带。用 作光催化剂的半导体一般具有较大的禁带宽度，有时称为宽带 隙半导体。
当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，半导体的价 带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子和空 穴
5）防污自洁：光触媒强大的氧化作用可使其
分解附着于其表面的油污，使灰尘不易附着， 其超亲水性又可使附着在物体表面的水分形成 水膜，并渗入污垢与光触媒的界面，使污垢的 附着力大幅降低，雨水冲刷可使墙面洁净如新。 6）防紫外线的特点：TiO2光触媒具有吸收紫 的特性，可使被涂面免遭紫外线的老化作用， 大大处长被涂面的使用寿命。
（4）氧化性强：
大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点， 对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、 六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有 机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由 基（HO），HO的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、 高锰酸钾、次氯酸等。 （5）广谱性： 光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国 环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光催 化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、含 氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般 经过持续反应可达到完全净化。 （6）寿命长： 理论上，催化剂的寿命是无限长的。