氧化钛引发的光清洁革命，本文主要内容关键词为：清洁论文,氧化钛论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
目前，光催化剂和辐射分解化合物正越来越多地应用于抗菌瓷砖制造和空气净化设备中，而且它在其他领域的应用前景也不断显现出来。在这一技术领域中，日本从基础研究到实际应用都位于世界前列。
以三重县县府津市中央火车站前的UST-TSU大厦为例。该建筑的外墙贴着一种光催化剂瓷砖。据津市市政规划部门介绍，这种瓷砖有两种功能：首先是不容易粘上灰尘和烟渍，从而降低了大厦的清洗维护成本；其次，这种瓷砖还可以净化空气中的污染物，如导致哮喘的氮氧化合物等。UST-TSU大厦上的这些瓷砖的总面积为7700平方米，据称其空气净化效果相当于一片种有200棵杨树的林带。
神奇的自洁瓷砖
光催化剂中含有氧化钛，氧化钛经紫外线照射会表现出极强的吸水性和强氧化性。氧化钛本来易于脱水，奇怪的是经紫外线照射后又会形成很强的吸水能力，亦即其亲水性大大增强。UST-TSU大厦上的高吸水性涂层接触水以后，水迅速蔓延至整个表面，形成均匀的薄膜。落在建筑物上的灰尘和烟渍实际上就是粘在这一薄层水膜上，下雨时可借助雨水自行冲掉这些尘埃、污渍。
氧化钛受紫外线照射时表面物质即被氧化。紫外线光波的振荡使氧化钛瓷砖内的电子运动加快，并很快挤占附着在表面的其他物质中电子的位置。经测试表明，氧化钛在室温下经光摧化产生的氧化效果相当于燃烧温度高达30000℃环境下的氧化反应。表面附着的空气污染物被瓷砖中的氧化钛氧化以后转化成二氧化碳等物质。
除这种瓷砖之外，光催化剂还可以作为涂层材料用于建筑外墙的涂装，凭其优良的吸水性，能形成一层均匀而且很薄的水膜，并长期附着于墙面上。利用光催化剂的这一特性可以缓解大都市的热岛现象。现代都市离不开混凝土建筑，混凝土有极强的吸热性能，再加上空调的普及和汽车尾气的排放，城区气温便明显高于周边地区。如果将建筑物外墙涂上光催化剂，那么浇湿后形成一个薄水膜，这些水分的蒸发就可以达到散热目的，为建筑物降温。
2001年夏，东京大学的专家在一项“城市之河”实验中，用涂过光催化剂的玻璃和墙体材料搭建了一座小屋，面积约2平方米。雨天，水顺着外墙流下，室内温度就会下降，即便是在盛夏，屋内温度也可降低将近10℃。
东京大学的藤岛昭教授开发了这一新技术，并由此首创了“光清洁革命”一词，期望光催化剂能以一种类似于植物光合作用的方式在日常生活中得到应用。与此同时，东京大学尖端科技研究中心的桥本和渡边两位教授也在从事氧化钛光催化剂实用方面的研究。最初，他们只是从肮脏、发臭的大学浴室着眼，如果让有机化合物的分解反应在浴室里进行，那么浴室就可以实现自动清洗。渡边根据这一设想发明了抗菌瓷砖，这一科研成果转让给以生产洁具著名的ToTo公司以后，很快就投入了商业化生产。随后，相同的原理又被应用于制造防尘车灯和后望镜上。
更清洁地焚烧塑料垃圾
光催化技术的另一项用途引起了合成材料制造商的兴趣，这项技术可减少被视为最危险的环境污染物——二恶英（dioxin）的产生。在日本，二恶英的主要来源是1960年代和1970年代建造的垃圾焚化炉。其实，如果焚化炉在1000℃以上燃烧，就不会产生二恶英。然而，早期焚化炉的炉壁承受不了如此高温，加上长期经济衰退导致政府财政收入下降，种种压力使得地方政府无力在设备改造上投资。
于是，科研小组决定通过采用新技术改变垃圾中塑料成分的焚烧过程，而无须更换焚烧炉。他们生产了一种含70％氧化钛和碳酸钙的垃圾袋，其中氧化钛颗粒直径约7纳米，然后将含塑料的垃圾装入这些垃圾袋，投入传统的低温焚烧炉焚烧。在高温条件下，氧化钛会分解有机物质，帮助垃圾燃烧。在实验中，含氧化钛的垃圾袋使起燃温度由380℃降至350℃，结果塑料中常见的氯乙烯经400～450℃焚烧时二恶英的排放量减少了3倍。此外，碳酸钙吸收二恶英的能力极强，可防止它们向大气中扩散。当灰烬从焚烧炉内取出经过光照后，里面的氧化钛还可以在72小时内将大部分的二恶英分解掉。
防锈技术的新突破
利用光催化剂防止生锈的研究工作也正在取得新进展。东京大学的藤岛教授和他的学生通过枥木县宇都宫市的光阳电气工程共同开发了这项技术。
当金属组成成分中带负电的氢氧离子吸附上正电荷时，其表面就会生锈。金属呈正电性，较易丢失电子。不让金属表面接触水和氧气，或补充金属表面失去的电子，不给氢氧离子吸附正电荷的机会，就可以防止金属生锈。为了达到这一目的，可在金属表面增加涂层，阻断其与空气中的氧接触。可是，如果涂层脱落或开裂就无法奏效。为此，东京大学的科研组决定尝试利用光催化剂补充失去的电子。氧化钛如果暴露在紫外线之下就会释放电子，而只起催化剂作用的氧化钛不会在此过程中消耗，这就意味着只要紫外线存在，上述反应就可以无限延续。
为检验氧化钛的防锈效果，研究小组将一块铁片浸在盐水中，未经处理的铁片1小时后就出现了明显的锈迹，而做过氧化钛涂层的铁片则未生锈。即使氧化钛涂层局部破损或开裂，其余涂层仍可释放足够的电子防止生绣。此项技术的应用意味着对大厦钢结构重新涂漆这类的维护工作成本会大幅下降。
玻璃表面光催化剂的重要应用正在陆续涌现，其中包括在建筑物玻璃和汽车挡风玻璃上的应用。传统的方法是，用含氧化钛的液体给玻璃加涂层并上光，但这一过程容易导致厚度不匀，影响视觉，破坏外观效果，而且牢度很差，容易脱落。青山学院的教授重里有三开发了一种可避免上述问题出现的新技术，这种被称为焊溅技术的方法可用于特种玻璃和钢板的表面处理以及半导体的生产中。
把作为光催化剂的钛板放在真空环境中，用两个电极以每秒5万次的频率交替产生电流冲击钛板。钛板在电流冲击下释放钛核，经氧化反应即形成具有催化剂作用的氧化钛。氧化钛在玻璃或建筑材料表面上堆积成镀层，经300～600℃固化后，形成一层非常硬的薄膜，30～40纳米厚的簿膜可在1分钟内形成。现有的特种玻璃生产线经这番改造后，即可将数米宽的玻璃板涂上光催化薄膜。大幅降低批量生产的成本。
可见光下的光催化剂
为开发能在各种可见光下发生反应的光催化剂，许多研究工作仍在继续深入。虽然转换效率较低，但已经在某些领域得到应用。
由丰田汽车公司中央研究所开发的光催化剂将氧化钛中的部分氧原子用氮原子取代，则在520纳米可见光波长下光催化剂可有效地分解有机分子，表现出很强的氧化潜能。
以前的光催化剂只能在波长较短的紫外光照射下发生反应，靠太阳光直接照射发挥作用，可是紫外线仅占太阳光的3％，而在可见光之下即可发生反应的光催化剂在任何相对较亮的地方都能使用，包括大部分室内照明。一种称为“缺氧的光催化剂”的产品已经由日本经济产业省下属的产业技术综合研究所（ALST）和近畿大学共同开发成功。将光催化剂在稍低温度（400℃）下固化，会生成含氧较少的晶体，据称这种缺氧晶体有望使可见光的反应成为可能。
30年前，藤岛教授在读研究生时曾对氧化物的光催化效应感到困惑不解，当时他正用氧化钛晶体做实验，当光线照射晶体时，水被分解成了氢和氧。后来，他试图利用这一效应，将水开发为清洁能源——氢燃料的来源，但这项研究始终未能达到实用化水平。2001年12月，产业技术综合研究所开发了一种更有效的可见光光催化剂，其报告在英国科学杂志《自然》上发表后引起广泛关注。这种催化剂用镍取代钽化铟中的某些成分并加工成粉末，与水混合后置于玻璃容器中，在光线照射下，水即被分解成氢气和氧气，以2比1的比例从光催化剂微粒表面释放出来，制成了第一例在可见光下即可将水分解成氢气和氧气的光催化剂。然而，目前这种光催化剂只能使可见光能源中的一小部分用来生成氢气，在实际应用于工业制氢之前，其能源转换效率必须达到100倍以上。
尽管面临挑战，但这些新技术及其实用研究也已经突破传统思维模式的局限，正推动光催化剂在现实生活中进一步广泛应用。源自日本的光催化技术必将使21世纪的人类生活变得更安全、更便捷。