生活中的催化剂

生活中的催化剂
光
催
化
剂
学院：* *学院
专业：11级* *二班
学号：11150
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摘要：
随着人们对于装修污染治理的认识越来越多，光触媒这个词也频繁的出现在人们的视野中。

光触媒的定义从国际上来说，它又叫光催化剂，是指在光的作用下具有光催化活性的一类物质，作用过程中自身不发生损耗，只提供一个反应的场所，它的作用具有长效性，例如纳米二氧化钛，纳米氧化锌等都属于这类物质，光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术。

光催化剂因其特殊的光催化性能被越来越重视，光催化剂的应用也逐渐得到认可和普及。

其中纳米二氧化钛作为最重要的光催化剂更是被应用到工业生产和日常生活的众多领域，随着环保意识的不断进步，我们有理由相信，光催化剂的应用将更加普及，更加深入和成功。

关键字：
光催化、光触媒、二氧化钛、光子、半导体
光催化基本概念：
光催化剂也称之为光触媒，是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。

是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。

光催化受到科学界、政府部门及企业界的高度重视，投入了大量的资金和研究力量开展光催化基础理论、应用技术开发及工程化研究，使得光催化成为近年来国内外最活跃的研究领域之一。

光催化起源：
光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆
我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。

典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。

总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。

光催化原理：
半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。

由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。

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(e-)和空穴(h+)。

此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。

而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。

光催化原理图
光催化材料：
世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。

在早期，也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性，故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料，部分工业光催化领域还在使用。

二氧化钛是一种半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)，金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。

二氧化钛是氧化物半导体的一种，是世界上产量非常大的一种基础化工原料，普通的二氧化钛一般称为体相半导体以与纳米二氧化钛
相区分。

具有Anatase或者Rutile结构的二氧化钛在具有一定能量的光子激发下[光子激发原理参考光触媒反应原理]能使分子轨道中的电子离开价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)。

从而在材料价带形成光生空穴[Hole+]，在导带形成光生电子[e-],在体相二氧化钛中由于二氧化钛颗粒很大，光生电子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合，从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。

由于光生电子和光生空穴都有很强的能量，远远高出一般有机污染物的分子链的强度，所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。

同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应，产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。

这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用，一般称之为二元论。

该反应微区称之为二元协同界面。

二氧化钛的光催化反应过程，很大程度依靠第一步的光子激发，所以有足够激发二氧化钛的光子，才能提供足够的能量，我们也可以知道，光催化反应并不是凭空产生的它也是需要消耗能量的，符合能量守恒原则，它消耗的是光子，也就是光能。

如果是太阳光照射光触媒就利用太阳能，灯光就是利用光能。

联合国将光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。

光催化领域的最新进展：
1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得重大突破；采用固相合成、过渡金属离子和非金属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、半导体复合等多种方法，制备出了一系列新型非二氧化钛系或二氧化
钛基可见光光催化材料，这些材料在可见光的照射下，能将H2O分解为H2和O2，或能有效降解空气、水中的有机和无机污染物。

2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题，近年来从提高催化剂自身的量子效率和改进反应过程条件两个方面开展了大量的研究工作，取得了重要进展。

采用离子掺杂、半导体复合、纳米晶粒制备、超强酸化等方法，提高光生载流子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一定程度上改善了光催化剂的量子效率。

值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场、磁场、超声波、热场等）与光催化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有益的探索。

3、光催化材料超亲水性的发现，开辟了光催化研究和应用的新领域（Nature,1997) 利用光催化膜的超亲水性和强氧化性等特性，研制开发出一系列光催化功能材料，如光催化自清洁抗雾玻璃、光催化自清洁抗菌陶瓷和光催化环保涂料等。

这些功能材料已开始在建筑材料领域应用。

与之相应的光催化膜功能材料的基础研究也有大量的文献报道。

我国光催化学科发展现状与方向：
1、发展现状：九十年代中期以来，国家自然科学基金委、国家计委和国家科技部等部门加大了对我国光催化基础和应用研究的支持力度，组织实施了包括国家自然科学基金重点项目和国家高技术产业发展项目在内的一批科研项目，使得近年来我国光催化基础研究、应用研究及产业化发展十分迅速。

（1）、研究队伍急剧扩大，多学科交叉特色显著；最近几年，由
于国际上光催化分解水研究的复苏，特别是环境光催化的崛起，我国许多高等院校、中科院研究所、部委及军队研究院所都开展了光催化研究工作。

催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等诸多学科的科研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。

近年来，光催化的基础与应用研究发展非常迅速，特别是在可见光诱导的新型光催化剂的研究、提高光催化过程效率的研究和光催化功能材料的研究等方面都取得了重要进展。

（2）、研究内容与国际同步，研究水平不断提高：从基础研究到应用研究涵盖了光催化领域的各个方面。

一批在日本、美国、加拿大、法国等国家从事光催化研究的留学人员的陆续回国。

取得了一批重要的基础研究成果，在国内外重要学术刊物上发表了大量高水平论文，论文数量估计每年以30%的速度增长，据不完全统计2002年达到百篇以上。

经过近七、八年的快速发展，我国光催化领域的整体研究力量、研究条件和研究水平已基本上接近国际水平，与日本、美国和欧洲等国家的差距已经明显缩小。

（3）、取得了一批具有自主知识产权的应用研究成果，为我国光催化高新技术产业群的形成奠定了坚实的基础，并带动了相关产业的技术进步。

（4）、我国光催化研究存在的主要问题：
a.基础研究：系统的、有重大影响的基础研究论文较少。

b.应用研究：有自主知识产权的应用研究成果较少、工程化研究相对滞后。

c.研究队伍：有物理化学背景的研究人员少；开展光催化分解水的研究队伍小，发展后劲不足。

d.研究经费：基础研究经费投入少，特别是光催化分解水方面的基础研究经费极少。

从上面的分析可以看出，我国的光催化研究整体上已经进入快速发展期，已成为国际光催化领域的一支重要研究力量，加上我国对环境保护、能源开发的巨大需求和市场背景，进一步加大对光催化基础和应用研究的支持力度，促进光催化学科的发展是十分必要的。

2、发展方向：根据目前我国光催化研究现状和国际光催化学科的发展趋势，建议国家自然科学基金委重点支持如下方向的基础研究
(1)、深入的多相光催化反应机理研究；
（2）、基于分子水平的光催化理论体系的探讨；
（3）、可见光诱导的新型高效光催化剂的研究；
（4）、光催化在环境污染治理、光解水制氢和光催化薄膜功能材料等领域的应用基础研究。

光催化-反应作用:
1、抗菌性：杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、绿脓杆菌、病毒等。

2、空气净化：分解空气中有机化合物及有毒物质：苯、甲醛、氨、TVOC等。

3、除臭：去除香烟臭、垃圾臭、生活臭等恶臭。

4、防霉防藻：防止发霉、防止藻类的产生, 防止水垢的附着。

5、防污自洁：分解油污,自清洁。

光触媒的特性:
1、安全性：TiO2作为食品药品添加剂，使用非常安全。

2、持久性：由于光触媒只是提供了反应的场所，它本身并不参与化学反应，所以它的作用效果是持久的。

光触媒的应用
参考文献：
1、百度百科、互动百科
2、莱阳子西莱环保科技有限公司新闻资讯《光催化技术的应用》
3、福州大学光催化研究所付贤智课件《光催化学科的前沿与发展趋势》。