光催化6大应用领域

发布时间：2020年9月11日来源：中国感光学会

光催化剂又称光触媒，是一种以二氧化钛（Tio2）为代表的具有光催化功能的半导体材料的总称。
光催化剂在光的照射下，表面会产生类似光合作用的光催化反应，产生出氧化能力较强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原性能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和病毒的蛋白质从而杀灭细菌，把有机污染物分解成无污染的水和二氧化碳，被广泛应用到空气净化、水净化、自净化、杀菌消臭、防污防雾等领域。

1、光催化剂在空气净化领域的应用
二氧化钛光催化作为环境净化功能材料，主要因二氧化钛所产生的氢氧自由基能破坏有机气体分子的能量键，使有机气体成为单一的气体分子，加快有机物质、气体的分解，将空气中甲醛、苯等有害物质分解为二氧化碳和水，从而净化空气。
日本从20世纪90年代开始，光催化空气净化产品被大量研制、开发，并投入市场。如光催化剂、空气净化器、陶瓷、板材等。

（1）光催化剂
光催化剂是光催化空气净化产品中最常用的一种，对它的使用主要是通过在建筑外装、内装上喷涂光催化剂来达到净化室内外空气的目的。光催化不仅可以用于室外，也可以在室内借助荧光灯和LED等室内照明达到同紫外光同样功能的净化效果。
（2）空气净化器
光催化空气净化器可以有效分解空气中因家装而挥发的有毒、有害物质，达到净化空气的目的。目前，光催化空气净化器主要有适用于商场、学校、医院、公司的空气净化系统，家庭用空气净化器，车载空气净化器，光催化空调等。
近年，日本新干线部分车厢也安装了光催化空气净化装置，空气净化装置内置了氧化钛涂层的多孔质陶瓷以及作为紫外线光源的黑光，通过将其交互式多层排列，达到杀菌除臭的效果。
（3）道路建材
20世纪80年代，日本在大都市交通密集地段，定期在路面喷涂光催化剂，来快速分解汽车尾气中的有害物质，达到净化空气的目的。目前，道路建设中具有净化功能的道路建材，如涂料、水泥、防音壁、遮光板等也被陆续使用。

在中国，国家体育馆、鸟巢、上海世博馆等都通过喷涂光催化剂来净化室内环境和维护建筑设施的洁净。2018年北京地铁6号线全线尝试进行光催化喷涂，以消除车厢异味。

2、光催化剂在自净化领域的应用
二氧化钛光催化代表性功能除了空气净化外，还有自我净化的功能。由于光催化有较强的酸化力和超亲水性，喷涂于物体表面，可形成光催化防雾涂层，同时由于其强大的氧化反应效应，可氧化掉物体表面的污渍，使被涂物具有自净化功能。
（1）建筑外墙的自净化
在建筑外墙上喷涂光催化剂后，在太阳光的照射下能够快速分解建筑表面的污染物和有害物质，下雨时被分解的污染物随着雨水被冲刷掉，从而保持建筑外墙的美丽和色泽，达到自洁的效果。
（2）光催化瓷砖
1998年日本专业陶瓷生产公司TOTO开发了具有自洁功能的光催化瓷砖，由于光催化的氧化分解能力，可以使空气中细菌的数量大量减少，进而保证医院的空气质量。光催化瓷砖不仅能杀菌、抗病毒，还能抑制异味、防腐、防污垢。
（3）光催化玻璃
即在玻璃表面涂上具有高光催化功能的薄膜，由于光催化的氧化功能和超亲水性，能有效去除污垢，即使在雨天也能较好地保持玻璃的清洁。
目前，光催化玻璃在日本应用较为广泛，如日本中部国际机场、横滨市水道局、商场、住宅大楼等都有安装光催化玻璃的实例。
此外，光催化玻璃还被应用到了汽车后视镜、新干线列车的车窗上，不仅能保持汽车外观的清洁美观，还能保证雨天驾驶的安全。
（4）光催化顶棚
日本许多体育馆、仓库、车站通道的屋顶，商店、娱乐设施的遮阳棚，住宅平台屋顶等均采用光催化材料设计，即美观又清洁。
中国国家大剧院的顶棚，也采用了光催化技术，具有很好的清洁、防污等功能，自净化效果非常明显。

3、光催化剂在医疗卫生领域的应用
光催化在杀灭大肠杆菌、金色葡萄球菌、肺炎杆菌、霉菌等病菌的同时，还能分解由病菌释放出的有害物质。光催化空气净化功能、自洁功能可以使医疗环境长期保持清洁、干净。其杀菌功能还可以抑制医院、养老机构等医疗设施、医疗器械的细菌繁殖。
近年，在抑制癌细胞的生长、假牙清洁和牙齿美白方面也有光催化的贡献。通过在患癌部位注入光催化微粒子，来抑制癌细胞的繁殖；在假牙中加入含光催化的溶液，被光源照射后，假牙上附着的污物被分解而变得干净；牙齿美白方面，主要通过LED灯的照射，去除牙齿上的牙垢，达到清洁牙齿、去除细菌的目的。

4、光催化剂在农业领域的应用
（1）水果蔬菜保鲜
光催化在农业方面的应用主要用于、和上。众所周知，水果和蔬菜存放时间久了会变质，这是因为，开始变质的部分会释放出能促进水果和蔬菜成熟老化的乙炔气体，促进未变质部位快熟变质。如果使用光催化，能将乙炔气体分解为二氧化碳和水，易于水果和蔬菜的长时间保存，保持其鲜度。使用光催化不仅可以保鲜，还可以抑制细菌、霉的繁殖，保持存放水果、蔬菜空间的清洁。
（2）养液栽培
应用养液培植蔬菜、水果是农业栽培的常用方法，不仅能促进农作物的生长，还能使瓜果、蔬菜避免病虫害的侵蚀。养液栽培使用过程中最主要的问题是养液水的处理，如果不排水，循环使用会减少果菜产量；如定时排放污水容易造成环境污染。利用光催化处理循环水，建立去除对生长有害物质的清洁系统，提高养液使用率，进而净化环境。
（3）提高种子发芽活力
实验发现，光催化产生的活性酸素能对种子发芽产生一定的影响。经过光催化剂处理的种子，其发芽率远高于普通种子的发芽率，因此，在发芽率较低的草药中使用光催化剂可大大提升草药的收益率。

5、光催化剂在防臭消臭领域的应用
光催化的防臭消臭功能主要体现在汽车、衣柜、鞋柜等狭小、密闭空间空气净化的应用上。例如，汽车使用时间久了，车厢内会产生异味；衣柜、鞋柜因空间密闭，时间久了也会有异味出现，利用光催化空气净化器可以有效消除车厢、衣柜、鞋柜的臭味异味，净化空气。
在日本，光催化技术已被日本轨道交通列入车厢空气治理的一种技术手段，新干线的吸烟室也装有光催化除臭器，对车厢进行光催化除臭，以保证车厢空气的清新。

6、光催化剂在水净化领域的应用
除了抗菌消臭、防污的功能外，光催化还可以应用到水净化领域。利用二氧化钛光催化技术降解水中有机污染物，特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法难以处理时，光催化的净化效果是非常明显的。
但是，有效除菌的水净化系统的开发较为困难，因为粉末状二氧化钛光催化遇水易分散，不利于回收。日本千叶大学研制开发的二氧化钛光催化薄膜小球，将粉末状二氧化钛成膜于球状金属氧化物表面，可以将其与水分离，有效回收再利用。在日本千叶公园使用光催化薄膜小球进行污水净化处理后，取得了较为明显的效果。
光催化技术由于不消耗地球能源、不使用有害的化学药品，而仅仅利用太阳光的光能等就可将环境污染物在低浓度状态下清除净化，并且还可作为抗菌剂、防霉剂应用，因而是一项具有广泛应用前景的环境净化技术。未来随着光催化技术研究的深入开展，应用在建筑、家电、涂料、生活等领域的光催化产品会不断增多，在水污染治理、医疗设施及器械、农业等领域的应用将会引起关注，光催化市场前景可期。

（来源：许明月,仇唐彬,吉田浩之,等.中日光触媒环境净化功能材料的市场开发与应用[J].北京联合大学学报, 2019,334:62-68）

（转自：中国感光学会光催化专业委员会网站）

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