神奇的高科技環(huán)保產(chǎn)品
——光觸媒

文/陳福民

神奇的高科技環(huán)保產(chǎn)品
——光觸媒

文/陳福民

非典席卷全球期間，人們面對(duì)這場(chǎng)突如其來(lái)的災(zāi)難，紛紛采取各種手段殺菌、消毒、清潔環(huán)境。最典型的是出租車(chē)，在那段期間，所有營(yíng)運(yùn)的出租車(chē)除打開(kāi)車(chē)窗通風(fēng)外，每日都要進(jìn)行一次消毒工作。而一種新款的藍(lán)鳥(niǎo)轎車(chē)全面加裝了一種抗菌防護(hù)罩，并經(jīng)過(guò)這一技術(shù)處理后，車(chē)輛不僅不用天天消毒，而且在5年內(nèi)不必再做任何消毒工作，車(chē)內(nèi)空氣卻比車(chē)外的要更潔凈、更安全。這種殺菌消毒的產(chǎn)品，就是異軍突起的“光觸媒”。

“光觸媒”是什么

1967年，當(dāng)時(shí)還是研究生的東京大學(xué)藤島昭教授在指導(dǎo)教師本多健一的指導(dǎo)下做了一次試驗(yàn)，他對(duì)放入水中的氧化鈦單結(jié)晶進(jìn)行了光線照射，發(fā)現(xiàn)水中冒出一串串氣泡，原來(lái)水被分解成了氧和氫。很快，這一技術(shù)作為從水中提取氫的劃時(shí)代方法受到了矚目，被以藤島和他指導(dǎo)老師的名字命名為“本多?藤島效果”而聞名于世。后來(lái)由于很難用這一技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)提取大量的氫氣，因此在轟動(dòng)一時(shí)后迅速降溫。

由于這是借助光的力量促進(jìn)氧化分解反應(yīng)，因此后來(lái)將這一現(xiàn)象中的氧化鈦稱(chēng)做“光觸媒”。實(shí)際上，觸媒是一種化學(xué)物質(zhì)，在化學(xué)上，又被叫做催化劑。觸媒可以促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，或加速反應(yīng)的速度。而光觸媒就是經(jīng)過(guò)光的照射，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。以大家都耳熟能詳?shù)闹参锕夂献饔脼槔诠夂献饔弥衅鹬匾饔玫娜~綠素，就可以稱(chēng)為光觸媒。

科學(xué)研究表明，光觸媒最擅長(zhǎng)處理空氣中極低濃度的有害化學(xué)物質(zhì)，而且本身不會(huì)釋放出有害物質(zhì)，因此是極優(yōu)異的環(huán)境凈化用觸媒。在太陽(yáng)光或室內(nèi)熒光燈的照射下，二氧化鈦吸收陽(yáng)光中的紫外線后，內(nèi)部電子被激發(fā)，在經(jīng)與二氧化鈦上的水氣反應(yīng)后會(huì)形成活性氧類(lèi)的超氧化物和羥基原子團(tuán)，氫氧自由基可針對(duì)細(xì)菌（有機(jī)物質(zhì)、有機(jī)氣體）做分解處理，若與紫外線相互配合更能使光觸媒之活性（即分解反應(yīng)）速率加倍。因此，光觸媒能夠促進(jìn)殺菌、抗毒、除臭、油污分解，起到強(qiáng)大的空氣凈化作用。把這些機(jī)能應(yīng)用到生活中，是目前研究和開(kāi)發(fā)光觸媒的最大目的。

于是，相隔20多年后，科學(xué)家用這一氧化分解效果來(lái)除臭而再度受到關(guān)注。此后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在光觸媒的反應(yīng)中存在“如果照射不到光線就無(wú)法產(chǎn)生效果的致命弱點(diǎn)”。為克服這一弱點(diǎn)，科技人員反復(fù)試驗(yàn)，加入原本就有殺菌作用的銅及銀后，即使在光線昏暗的場(chǎng)所也可以保持同樣效果。而且，在研究中還發(fā)現(xiàn)了水在氧化鈦的表面擴(kuò)散的親水性能，并且發(fā)現(xiàn)只要加入硅就可以保持親水效果。這樣，作為抗菌瓷磚，日本東陶又推出了光觸媒型產(chǎn)品。而且，經(jīng)過(guò)科學(xué)家的反復(fù)研究，光觸媒這一技術(shù)的應(yīng)用范圍得到不斷擴(kuò)大。

光觸媒的神奇本領(lǐng)

權(quán)威部門(mén)檢驗(yàn)顯示，在我國(guó)，近九成的新車(chē)都存在車(chē)內(nèi)有害氣體嚴(yán)重超標(biāo)問(wèn)題，對(duì)駕乘人員的健康存在嚴(yán)重威脅。目前較常見(jiàn)的汽車(chē)凈化方法有許多種，但大多屬于被動(dòng)保護(hù)。而“光觸媒”技術(shù)卻主動(dòng)出擊，成為細(xì)菌、霉變和廢氣的天敵?！肮庥|媒”可主動(dòng)凈化廢氣，不僅效果顯著，而且對(duì)人體非常安全。

2003年3月，在峻工不久的松下電工東京總公司大樓前，人們看到，成排的玻璃窗中，留有前一天大雨痕跡的玻璃和幾乎沒(méi)有污點(diǎn)的玻璃形成了鮮明對(duì)比。那些沒(méi)有污點(diǎn)的窗戶(hù)就是采用了經(jīng)光觸媒加工的玻璃。這種玻璃受到陽(yáng)光照射后，就開(kāi)始分解污垢，下雨時(shí)，雨水會(huì)將分解的污垢沖洗得一干二凈，使它成為不用清洗也不會(huì)臟的神奇玻璃。

這是因?yàn)閷⒍趸伣?jīng)特殊處理后濺鍍于玻璃上，形成薄膜，便具有防霧功能，其透明度、表面硬度與玻璃相似，更可耐400℃高溫。當(dāng)玻璃遇水且接受光源照射時(shí)，其表面不結(jié)水滴而形成水膜，且當(dāng)玻璃干燥后不會(huì)造成水痕。而當(dāng)灰塵落于經(jīng)二氧化鈦處理后之物體上時(shí)，只需以清水清洗便會(huì)因二氧化鈦本身的親水性，使灰塵隨雨水一起脫落。光觸媒的這種“自我保潔效果”非常有效，所以近幾年高層建筑物在裝修中相繼采用了這一技術(shù)。2002年9月開(kāi)業(yè)的東京“丸之內(nèi)大樓”就采用了經(jīng)光觸媒加工的外墻瓷磚。除保潔外，這種瓷磚還可以分解大氣中的有害物質(zhì)——氮氧化物，其效果相當(dāng)于200顆楊樹(shù)。

二氧化鈦的超強(qiáng)殺菌本領(lǐng)在于它經(jīng)光照反應(yīng)后會(huì)制造出氧化能力超強(qiáng)的氫氧自由基，它超強(qiáng)的氧化能力，可以破壞細(xì)胞的細(xì)胞膜，使細(xì)胞質(zhì)流失至死亡，凝固病毒的蛋白質(zhì)，抑制病毒的活性，并捕捉、殺除空氣中的浮游細(xì)菌，殺菌能力達(dá)到99.997%。醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，它可殺除大腸桿菌、綠膿菌、葡萄球菌、霉菌、化膿菌、白癬菌、徽菌等等；可分解空氣中過(guò)敏原、減少過(guò)敏性疾病及氣喘，亦可分解徽菌；可改善香港腳情形，甚至痊愈，且不傷皮膚。因此，在醫(yī)藥上已用來(lái)制造內(nèi)服用胃藥，還利用光化學(xué)法生產(chǎn)抗癌藥。在醫(yī)院里，光觸媒還能有效地抑制病房癥候群，對(duì)病床、醫(yī)療器械等有效地殺菌消毒，不會(huì)遺留下具有抗藥性的細(xì)菌。同時(shí)，二氧化鈦受光后生成的氫氧自由基能加快有機(jī)物質(zhì)、氣體的分解，提高空氣清凈效率，從而起到脫臭的功效。據(jù)歐美國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室測(cè)試，每平方公分的光觸媒與其他脫臭物質(zhì)相比，脫臭能力為高性能纖維活性碳的150倍，相當(dāng)于500個(gè)活性碳冰箱除臭劑的功效。

作為食品和藥品的添加劑，美國(guó)FDA食品檢驗(yàn)中心曾做過(guò)認(rèn)定，二氧化鈦對(duì)人體決無(wú)傷害。因而光觸媒在解決室內(nèi)污染的同時(shí)，還可被廣泛采用在食品、日常生活用品、化妝品、醫(yī)藥、養(yǎng)殖業(yè)中，可最大限度保證人體健康。其氧化分解能力比碳纖維、臭氧更強(qiáng)。由于它只是提供了反應(yīng)的場(chǎng)所，并不參與化學(xué)反應(yīng)，所以它的作用效果持久。

光觸媒是一種國(guó)際新興的先進(jìn)環(huán)保科技產(chǎn)品，無(wú)毒無(wú)害，使用簡(jiǎn)單，用途廣泛。只要噴涂在室內(nèi)外墻面上，即可持久發(fā)揮作用。目前，光觸媒已應(yīng)用于醫(yī)療防護(hù)用品(如口罩、隔離衣等)、抗菌瓷磚、潔具、環(huán)保空調(diào)、環(huán)保燈具等方面。有關(guān)專(zhuān)家相信在不久的將來(lái)，光觸媒會(huì)在我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮出廣泛而卓越的環(huán)保作用。

引入納米技術(shù)的變化

光觸謀防真花

在開(kāi)發(fā)應(yīng)用光觸媒反應(yīng)的產(chǎn)品時(shí)，如何縮小氧化鈦薄膜的厚度并做涂層處理是其中的一大難題。這一薄膜越厚，催化劑的效果就越高，但如果厚度越薄，越接近于透明，產(chǎn)品的外觀評(píng)價(jià)就會(huì)越高，兩者互相矛盾。

就拿用于建筑的光觸媒瓷磚來(lái)說(shuō)，要想同時(shí)實(shí)現(xiàn)美觀和防污效果，就必須開(kāi)發(fā)無(wú)色透明的薄膜涂層技術(shù)。在瓷磚上形成薄膜時(shí)，向表面涂布包含透明的釉和氧化鈦的液體原料。目前，日本東陶開(kāi)發(fā)的技術(shù)是：在大約800度的高溫中燒制瓷磚，并覆蓋厚度200納米（1納米為10億分之1米）的高硬度氧化鈦膜。

日本科學(xué)家在開(kāi)發(fā)光觸媒玻璃中，對(duì)向液體原料加入樹(shù)脂的配合比率、氧化鈦膜鍍?cè)诓Ａ蠒r(shí)的溫度以及時(shí)機(jī)等細(xì)節(jié)上展開(kāi)了進(jìn)一步的研發(fā)。在此基礎(chǔ)上，為了均勻涂布一定量的液體原料，改進(jìn)了機(jī)械的噴嘴部分，成功地形成了厚100納米的薄膜。他們?yōu)楣庥|媒產(chǎn)品同時(shí)實(shí)現(xiàn)美觀和耐久性能作出了努力，并開(kāi)發(fā)出了預(yù)期效果的新產(chǎn)品。

東陶公司在率先投產(chǎn)了光觸媒瓷磚后，在將這一技術(shù)應(yīng)用于玻璃中時(shí)采用了更為嚴(yán)格的條件。該公司的目標(biāo)是，通過(guò)玻璃表面的氧化鈦膜防止光的折射。但要想在不損害耐久性能及原有效果的同時(shí)，防止光的折射及反射，就必須將膜厚控制在20納米以下，并實(shí)現(xiàn)均勻涂布。

因此，該公司使用5～10納米的細(xì)微氧化鈦粒子開(kāi)發(fā)出了通過(guò)滾軸狀的材料將膜粘貼在玻璃上的薄膜形成法。由此，不僅實(shí)現(xiàn)了膜厚目標(biāo)，而且耐久性能也提高了一倍。要想進(jìn)一步提高耐久性能，就必須制作進(jìn)一步提高氧化鈦粒子密度的薄膜。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家致力于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)納米級(jí)別的涂層技術(shù)。

目前，這些瓷磚及玻璃的價(jià)格要比普通產(chǎn)品高出2成左右。雖然也有人認(rèn)為，如果考慮墻壁及窗戶(hù)的保潔成本，5年左右就可以補(bǔ)回差價(jià)，但是由于尚未完全證實(shí)與價(jià)格相當(dāng)?shù)男阅?，它的市?chǎng)并不像想象的那么好。

然而，眾多建材業(yè)界的相關(guān)人士認(rèn)為，今后市場(chǎng)肯定會(huì)因效果明顯的自我保潔用途而不斷擴(kuò)大。

隨著高科技的發(fā)展，科學(xué)家正在創(chuàng)造一種新的光觸媒，那就是在室內(nèi)微弱的紫外線下也能發(fā)生反應(yīng)的光觸媒，叫做“可視光應(yīng)答型光觸媒”。這種可視光應(yīng)答型光觸媒是在原有的氧化鈦中采取了促進(jìn)紫外線吸收的表面處理等措施，即使在室內(nèi)光線下也可以進(jìn)行反應(yīng)。從2001年開(kāi)始，已有多家制造商開(kāi)始投入使用，有的甚至應(yīng)用在了內(nèi)部裝修材料中。這些產(chǎn)品不僅可凈化室內(nèi)空氣，還可消除導(dǎo)致出現(xiàn)辦公室癥候群的有害物質(zhì)——甲醛。在日本，目前正在推進(jìn)通過(guò)組合氧化鈦與在表面鑿有1～10納米的細(xì)微洞孔的陶瓷來(lái)提高吸收有害物質(zhì)的研究。

光觸媒有望使用于環(huán)境凈化用途，比如分解土壤中的有害物質(zhì)或改善河流水質(zhì)等?？茖W(xué)家還有這樣一種構(gòu)想，即通過(guò)組合只對(duì)特定物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的抗體和氧化鈦，只吸附和分解有害物質(zhì)。如果將組合抗體和氧化鈦的這一催化劑制作成數(shù)百納米左右的膠囊狀產(chǎn)品，就可以使用于水和土壤的凈化用途。然后回收吸附有害物質(zhì)的膠囊，在其它場(chǎng)所進(jìn)行處理。

因此，光觸媒是一種能夠解決環(huán)境問(wèn)題的、潛力巨大的基礎(chǔ)技術(shù)。