大庆市龙风区环境保护局 黑龙江大庆 163711
摘要：对于纳米光催化技术在大气污染治理中的应用，首先应当研制出相应规模且具备可靠催化性能的纳米催化剂，对氮氧化物、碳氢化物、挥发性有机物等大气污染成份进行降解。其次应当研发多种不同技术应用，并结合对应空间环境中的空气净化装置，在新技术发展完善后，进而实现对大气污染问题的有效治理。
关键词：纳米光催化技术；大气污染治理；应用
1 纳米光催化技术概述
1.1 纳米光催化原理
20世纪70年代，日本研究人员Fujishima等首次发现在近紫外光照射下，单晶金红石型的TiO2电极能可水于正常情况下发生持续氧化还原反应，由此开启了光催化技术研究的篇章。随后，又有研究人员将TiO2作为光催化剂用以脱除多氯联苯中的氯，由此标志了光催化技术在生态环保领域的推广。在照射光波长小于相应数值条件下，TiO2可吸收能量大于其能隙宽度的短波光辐射，使价带电子形成跃迁，进一步于导带、价带上产生高活性的电子对，可与附着于TiO2表层O2和H2O产生光化学反应，产生具备强氧化性的超氧阴离子自由基、羟基自由基等，可实现对一系列有机污染物的充分氧化，进而降解为水、二氧化碳、无机酸等产物。于此期间，TiO2所扮演的是催化剂角色，不仅自身不会消耗，且不会造成环境污染。而纳米TiO2凭借其量子尺寸效应，相较于前者具备更高的能隙宽度和表面积，且拥有更强的氧化还原能力，由此使得材料的光催化活性得到进一步增强。近年来，纳米光催化技术已然转变成国际领域一项热点的研究课题，在大气净化、贵金属回收、污水处理等领域均得到广泛推广。
当今社会，随着人口数量逐年增加，各类能源也出现了短缺的现象。太阳能是一种可供人类无限使用的能源，将其加以充分利用显得尤为重要。将太阳能应用于纳米光催化技术当中，不仅能使大气污染物处理过程的弊端得以规避，而且能节约能源。纳米催化技术是目前大气污染处理方式中最为先进的方式，其能够有效地控制大气污染，将其治理效果与通过传统方式治理的效果相比较，可知其具有显著优势。该处理方式简单易于操作，其操控环境要求不高，可将大气中的污染物通过太阳能进行去除，防止二次污染。光催化具有一定的理论效应，很多年前相关专家已经就光催化作用对环境治理的意义进行了深入研究及探讨。如图1所示，半导体材料其催化氧化过程具体如下:若其能量＞禁带宽度的光照射半导体催化剂，则会激发出VB(价带)上的电子，越过价带向VB(导带)进入，在VB上所产生的电子对应的H+(空穴)，从而产生空穴对，也就是自由电子，活跃的空穴在电场的作用当中可从半导体的价带移动到吸附物界面，活泼的电子可通过导带移动到半导体界面，其可跃过界面，氧化和还原吸附物;与此同时，可复合空穴与电子。吸附的水可通过价带空穴转化为—OH(羟基自由基)，空气中的氧气可通过导带电子转化为O2－(超氧自由基)。通过氧化、还原得到的羟基自由基以及超氧自由基，是使污染物进行降解的主要基团。
图1半导体材料的光催化原理图
1.2 纳米光催化新材料
凭借纳米材料表层特殊效应及量子尺寸效应实际作用，使得催化剂可实现对污染物的有效吸附及生载流子分离。即便TiO2具备诸多优点，TiO2强氧化催化技术，也是新型环境净化技术的前提。然而TiO2也存在诸多不足，例如对实际操作范围较为有限。由于只可受限不超过388mm的紫外光激发，因而无法实现对光的自由利用，容易重新复合的光生载流子会对光催化效率造成极为不利的影响。光催化剂受到光谱响应范围小及量子效率不足很大程度影响，针对该种情况，国内外研究人员开展大量深入的研究。对光催化剂表层性能、自身能带结构、孔身结构等的调控，进而提高光催化剂对电子对的最大分离率，为催化剂高性能及可靠的净化氮氧性提供有力保障。
量子的效率低和光谱响应范围小会直接影响光催化剂的作用，就此现象，国内外相关专家对其进行了进一步的分析研究。例如说，通过有效处理对整体可见光的活性进行调控。利用现有材料，通过操作将其合成为不常见的纳米材料，以此有效缩短载流子的扩散途径，同时提高量子效率。要想电子的分离效率高，应利用其界面的电场强度优势，对光谱的最大值进行有效拓展。对自身能带结构、孔身结构以及催化剂表面的性能通过多种方式进行调节控制，从而将空穴以及电子在光催化剂的作用下的最大分离率加以提升，以确保纳米催化剂的氮氧性稳固、高效。通过研究分析机理，将其与纳米材料在光催化环节中使用的各类特点相结合，分析其变化，同时还原转变产物、副产物及污染物，有效论证纳米光催化材料的去除性能。
2 光催化技术所面临的挑战
纳米光催化材料的研发，是光催化技术的重中之重。近年来，尽管科研人员不断地钻研该项技术，想寻找出更为合适的新技术、新手段，但是其结果往往不尽如人意，很多研发出来的材料仅适用于实验室，因而钻研仍需继续。光催化技术所面临的挑战体现在很多层面，要想使催化剂的活性得以提升，需要研制出具有高效率的催化剂。
在进行实验时，催化剂的制作应选用适宜的载体，确保其使用率大大提高。因为在研究光催化反应时，没有鉴定活性物质以及中间环节的产物，研究结果还不能够成立，科研人员应对其原理进行深入分析研究，熟练掌握有机物的降解规律。在技术领域，光催化技术应巧妙地融合其他技术，根据实际情况选择最优效果进行处理，拓展其应用范围。
3 纳米光催化技术在大气污染治理中的应用
3.1 纳米光催化技术应用于净化空气
纳米光催化材料可实现对空气中诸如含硫化合物、氮氧化物等常见污染物的有效催化降解，所以纳米光催化技术在空气净化领域具备良好的应用前景。半导体光催化效应是由东京大学AkiraFujishima首次发现的，以其为代表的研究小组在半导体光催化的理论研究与实践应用领域均做出了极大的贡献。近年来，我国针对以半导体光催化技术为前提的空气净化研究也收获了长足的发展。有研究人员研发出活性炭-纳米TiO2复合光催化空气净化网，在特定前提下，可实现对空气中一系列污染物的有效净化，诸如，针对一氧化碳净化率可达到60.1%，针对氨气净化率可达到96.5%，针对硫化氢净化率可达到99.6%等。经对比实验得出，这一空气净化网可显著提高光催化效率，同时可利用光催化效应实现活性炭的原位再生。还有研究人员研发的碳黑改性纳米TiO2光催化膜，这一催化膜可很大程度上TiO2光催化剂的催化活性，并且具备良好的稳定性。
3.2 纳米光催化技术应用于净化机动车尾气
机动车尾气排放是现如今全球各大城市空气污染物的主要来源之一，这些污染物包括有氮氧化物、固体悬浮微粒、一氧化碳、硫氧化合物等，均会对空气环境造成极为不利的影响。现阶段，针对机动车尾气的净化处理，主要利用的是贵金属三相催化剂，这一处理手段可实现高效的催化转化，然而同时也存在贵金属成本偏高、催化剂有毒性等不足。光催化技术可实现对机动车尾气中一系列污染物的有效降解，是一项具备良好发展前景的机动车尾气净化技术。有研究人员研究得出，TiO2催化可实现对机动车尾气中氮氧化物的有效净化。还有研究人员指出，通过将TiO2催化材料添加进半柔性碱性水泥路面中，可有效减少机动车尾气中各式各样的污染物，基于中和反应，路面的碱性水泥可实现对附着于催化材料表层无机酸催化产物的有效去除，进而为催化材料的活性提供可靠保障。
3.3 纳米光催化技术应用于降低温室效应
温室效应是新世纪以来人们面临的一项重要环境问题。引发温室效应的关键人为污染物为CO2，所以改善大气中CO2的排放是降低温室效应的重要一环。与此同时，以CO2为原料生产有价值化学用品是近年来绿色化学领域得到广泛关注的一项课题，大气中的CO2还原利用可收获理想的综合效益。半导体光催化技术即为一种具备良好发展前景的CO2还原技术。然而，现阶段光催化还原CO2技术在工程应用层面，因为效率偏低而难以得到广泛推广。近年来，超临界流体光催化技术凭借其可显著提高CO2催化还原反应效率的优势，表现出了一定的发展潜力。而纳米TiO2催化则是该项技术必不可少的一部分。相关研究人员借助湿化学浸渍技术提取出一种负载于石墨烯的纳米TiO2材料，这一材料可显著提高将CO2转化成CH4的效率。还有研究人员深入研究了纳米TiO2将CO2转化成CH4该催化技术的基本原理、发展前景等，指出相较于纳米TiO2，添加进Cu等金属的纳米TiO2具备更可靠的转化效率及良好的市场应用潜力。
结束语：
发展纳米光催化技术是社会经济发展中非常重要的一个环节。应充分利用现有的研究结果，将其所具有的应用价值进行充分开发和利用，使其能够在最大程度上为治理空气污染做出贡献。
参考文献：
［1］周丹．纳米光催化技术在大气污染治理中的应用研究［J］．环境与发展，2018，30(4):80，82．
［2］蔡舒婕．纳米TiO2光催化技术研究进展和水样分析处理概况［J］．化学工程与装备，2016，45(7):229－231．
［3］曹军骥，黄宇．纳米光催化技术在大气污染治理中的应用［J］．科技导报，2016，37(17):64－71．
论文作者:卢丽平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/4
标签：光催化论文; 纳米论文; 技术论文; 催化剂论文; 污染物论文; 大气论文; 研究人员论文; 《防护工程》2018年第35期论文;