“吃掉”有機(jī)污染物 “消化”成無(wú)污染物

材料抗菌防霉性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室

中國(guó)建材總院綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在第20屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)閉幕式上，中國(guó)科協(xié)副主席、國(guó)際宇航科學(xué)院院士李洪對(duì)外發(fā)布由中國(guó)科協(xié)組織征集遴選的60個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題和重大工程技術(shù)難題，涉及公共安全、空天科技、信息科技、醫(yī)學(xué)健康等12個(gè)領(lǐng)域。李洪說(shuō)：“這些(問(wèn)題)代表了我國(guó)科技領(lǐng)域真正的‘硬骨頭’”。

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)建材總院)提出的高活性可見(jiàn)光催化材料，被列入60個(gè)重大科學(xué)難題之一。

高活性可見(jiàn)光催化材料是一種什么樣的材料，為什么研究該材料，這種材料研究的科學(xué)問(wèn)題、技術(shù)難度點(diǎn)在哪?筆者就此進(jìn)行了深入了解。

關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大事

“高活性可見(jiàn)光催化材料”是一種利用光催化技術(shù)的原理，在可見(jiàn)光或者LED燈下，能捕獲有機(jī)污染物，通過(guò)氧化還原反應(yīng)將有機(jī)物完全分解為無(wú)污染的CO2和水。這種材料與吸附型的凈化材料有明顯區(qū)別。

吸附型凈化材料，只是將污染物吸附到吸附劑中，雖然污染物發(fā)生轉(zhuǎn)移，但并沒(méi)有被分解，同時(shí)材料飽和后將不再吸附，對(duì)污染物不再具有凈化效果。高活性可見(jiàn)光催化材料則將污染物通過(guò)化學(xué)反應(yīng)分解為無(wú)污染的無(wú)害物，達(dá)到降解作用，也不存在吸附飽和問(wèn)題，如果材料穩(wěn)定，將會(huì)一直分解有機(jī)物，起到永久凈化的目的。

因?yàn)槟苡行コ廴疚铮呋钚钥梢?jiàn)光催化材料研究也成為關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大事。

目前，室內(nèi)污染是人類健康的一大殺手。據(jù)流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)，白血病的自然發(fā)病率約為十萬(wàn)分之四，每年新增約4萬(wàn)名白血病患者，其中40%是兒童。醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為，除了家族遺傳，環(huán)境污染應(yīng)是兒童白血病的重要誘因。

家庭裝修會(huì)帶來(lái)室內(nèi)環(huán)境污染。資料表明，居室中常見(jiàn)的有害物質(zhì)，僅美國(guó)環(huán)保署正式公布的就有189種，其中危害較大的主要有甲醛、苯系物、氨、三氯乙烯和石棉等。

如果將高活性可見(jiàn)光催化材料用于室內(nèi)涂裝材料，能有效降解室內(nèi)有機(jī)污染物。

對(duì)建筑外墻，高活性可見(jiàn)光催化材料也能起到清潔以及緩解大氣污染的作用。

它能將自然界存在的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，用于發(fā)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子被激發(fā)成極具氧化力的OH·及O2-自由基離子，不僅能起到凈化作用，還能緩解大氣污染，并將能源有效利用。

水是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。

“高活性可見(jiàn)光催化材料”還能用于水污染凈化，將水體中有機(jī)物包括液相染料、重金屬等完全降解或無(wú)害化。” 中國(guó)建材總院水泥科學(xué)與新型建筑材料研究院環(huán)境材料科學(xué)與工程研究所所長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師冀志江教授舉例說(shuō)，偶氮芳香染料如甲基橙和亞甲基藍(lán)，是造紙、皮革、化妝品、藥品和其他工業(yè)中最主要的有毒污染物和合成染料。直接排放未經(jīng)處理的染料會(huì)毒害水生生物，并間接影響人類健康。

基礎(chǔ)研究存在三大瓶頸

然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)“高活性可見(jiàn)光催化材料”的認(rèn)識(shí)多局限于基礎(chǔ)研究。真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的研究成果還比較少，現(xiàn)已成為全人類面臨的一個(gè)急需解決的重大科學(xué)難題。目前國(guó)內(nèi)外研究存在三大瓶頸：

一是光催化效率有待提高。光催化效率是評(píng)定一種催化劑性能的重要指標(biāo)之一。光催化效率高就能短時(shí)間內(nèi)將有機(jī)污染物完全降解，及時(shí)有效地緩解環(huán)境污染問(wèn)題。同時(shí)高效率的催化劑可用較少的量發(fā)揮更大的凈化作用。

二是實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光催化難。普遍的光催化材料在紫外光條件下活性較高，而在可見(jiàn)光下活性很低，例如大家普遍認(rèn)可的在紫外光下高效的光催化劑——商用P25，然而紫外光在太陽(yáng)光中僅約占5%，所以在太陽(yáng)光下，這種催化劑光利用效率很低，光催化效率也低，大大限制了它的應(yīng)用。若催化材料在可見(jiàn)光下活性高，那么在LED燈下就能凈化空氣污染物，從而室內(nèi)空氣污染問(wèn)題就迎刃而解。

三是難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)室研究可以不考慮成本、能耗、環(huán)保、穩(wěn)定性等問(wèn)題，進(jìn)行了一百次實(shí)驗(yàn)，成功了一次就是成功了，但只證明了可行性。在實(shí)際放大生產(chǎn)過(guò)程中，制備條件并不能像實(shí)驗(yàn)室條件可控以及穩(wěn)定，存在很多不可控的因素，因此開(kāi)發(fā)一種可行的、穩(wěn)定的制備方法是實(shí)現(xiàn)光催化劑工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題所在。同時(shí)工業(yè)化生產(chǎn)中還要考慮成本、能耗、環(huán)保、產(chǎn)率、技術(shù)可操作性、穩(wěn)定性等問(wèn)題，進(jìn)行了一百次工業(yè)化生產(chǎn)，如果有一次不成功那就是百分之一不合格。

“通過(guò)化學(xué)改性的手段，在TiO2結(jié)構(gòu)中引入金屬、非金屬來(lái)提高其可見(jiàn)光活性，還可開(kāi)發(fā)一種新型的可見(jiàn)光催化材料，例如氮化碳(C3N4)光催化材料，氮化碳是近幾年來(lái)新興的非金屬半導(dǎo)體材料，在可見(jiàn)光下可高效降解有機(jī)污染物。C3N4與TiO2復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)也是一種策略，既能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光響應(yīng)，又能改善催化效率。當(dāng)然還有TiO2與石墨烯、碳量子點(diǎn)、鉍系材料復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)催化劑。”冀志江說(shuō)，“在工業(yè)化中真正實(shí)現(xiàn)效果顯著、能夠解決問(wèn)題的可見(jiàn)光目標(biāo)還未達(dá)到。”

雖然目前我國(guó)在基礎(chǔ)研究上做了大量工作，一直推進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)，但實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用間還是有一定差距。

“例如，目前大家比較認(rèn)可的明星光催化材料是德固賽P25，不管是在基礎(chǔ)研究還是工業(yè)化生產(chǎn)方面，目前我們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)催化劑性能的好壞都是以P25為衡量標(biāo)桿，它具有穩(wěn)定的光催化凈化能力，也實(shí)現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。”冀志江同時(shí)提道，在真正使用上，P25還是有局限性，比如在催化劑回收再利用方面，水凈化后要將P25催化劑回收，由于催化劑的納米尺寸效應(yīng)，很難從水相中回收出固體催化劑，即使按照現(xiàn)有工藝回收，也需要很大的成本和精力。“這就是材料特性和工業(yè)應(yīng)用之間的鴻溝。”

正推進(jìn)大工業(yè)級(jí)生產(chǎn)和應(yīng)用

“十三五”期間，中國(guó)建材總院制備高活性光催化材料已取得一定成果。在可見(jiàn)光響應(yīng)和團(tuán)聚分離方面，中國(guó)建材總院已取得顯著進(jìn)展。

“一方面，采用礦物負(fù)載技術(shù)解決了納米TiO2易于團(tuán)聚的問(wèn)題，改善了納米催化劑的吸附能力，制備的TiO2/礦物復(fù)合催化材料具有優(yōu)異的可見(jiàn)光凈化性能。另一方面，通過(guò)調(diào)節(jié)TiO2的形貌或晶面，改善TiO2自身的催化性能。”冀志江說(shuō)，“在基礎(chǔ)研發(fā)過(guò)程中，中國(guó)建材總院分別研究水解沉淀法與溶劑熱法兩種制備工藝及性能優(yōu)化，從設(shè)備選型、生產(chǎn)環(huán)境影響、廢氣廢水處理及循環(huán)利用、經(jīng)濟(jì)效益等角度，對(duì)兩種制備工藝進(jìn)行了全面的可行性分析，目前在中試化生產(chǎn)階段，已建成一條中試生產(chǎn)線，材料已經(jīng)在涂裝材料中應(yīng)用，在這方面我們已有顯著進(jìn)展。”

他同時(shí)提到，目前中國(guó)建材總院制備的TiO2/礦物復(fù)合催化材料具有易于固液分離的優(yōu)勢(shì)，解決了回收問(wèn)題，但在大工業(yè)級(jí)生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中是否還存在其他難以解決的問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究和實(shí)踐驗(yàn)證。

在環(huán)境功能建材的研發(fā)和生產(chǎn)方面，中國(guó)建材總院有著很多的經(jīng)驗(yàn)，例如長(zhǎng)效抗菌防霉劑、硅藻土高效利用的生態(tài)環(huán)保涂料、電磁波吸收建筑材料、相變材料的生產(chǎn)等都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，也得到了許多廠家的認(rèn)可。“我們也希望憑借這方面的經(jīng)驗(yàn)與優(yōu)勢(shì)，爭(zhēng)取將催化材料更大規(guī)模地應(yīng)用到建材領(lǐng)域，努力將我們的基礎(chǔ)研發(fā)成果真正轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)。”冀志江說(shuō)。

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