N 型半导体材料与光触媒：性能、应用与发展前景

N 型半导体材料与光触媒：性能、应用与发展前景

光触媒材料报告

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常用的光触媒材料主要为N型半导体材料，具有禁带宽度小的特点，常用的光触媒半导体材料为二氧化钛。[2]

ZrO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SiO2等也是光触媒材料。2000年以来，一些纳米贵金属（铂、铑、钯等）被发现具有更优的光催化性能。但由于它们大多易发生化学或光化学腐蚀，且贵金属成本过高，并不适合日常使用。[4]

研究成果报告

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以氧化锌为基础的光催化材料早在20世纪30年代就被发现。1967年，东京大学的本田健一教授和他的博士生藤岛彰发现光照射二氧化钛电极可导致水的电解，被称为“本田-藤岛效应”[14]，从此打开了二氧化钛在光催化领域的应用大门。[5]1972年，美国化学会志发表了本田在光催化领域的研究成果[2]，从此揭开了光催化研究的新篇章[14]。

1976年，Garey等人开创了光催化剂在环境保护领域的应用，利用光催化作用降解水中的污染物。此后，拓展半导体光催化材料在生命科学中的应用，将光能转化为其他能源成为主要的研究方向。[2]

2015年，日本一家公司研发出一种有望解决水资源短缺问题的新型光触媒颗粒。该颗粒由沸石颗粒和二氧化钛颗粒组成，在紫外线照射下与污水充分混合，可将污水净化至可饮用的水平。这种新型光触媒净水设备相当简单高效，每天可净化多达3吨水。在以节能为主导的时代，高效清洁的光触媒材料受到强烈关注。[6]

反应机理报告

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光催化氧化是基于N型半导体的能带理论。半导体材料具有不同于金属的不连续的能带结构，一般由充满电子的低能价带和含有空穴的高能导带组成。价带与导带之间存在带隙。当用能量等于或大于带隙宽度(又称禁带)的光照射时，价带中的电子(eˉ)将受激发跃迁到导带，而相应的电子空穴(h+)则会在价带中产生，并在电场作用下分离、迁移到表面。[3]

热力学理论表明，分布在表面的光生空穴具有很强的吸电子能力，能将吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基。羟基自由基具有极强的氧化能力，能有效分解各种化学键不稳定的有机化合物和一些无机物质，最终降解为H2O、CO2等无害的小分子，还能破坏细菌细胞膜、凝固病毒的蛋白载体。[3]

反应过程[7]

功能报告

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环保无毒

光触媒的代表材料是TiO2，具有较高的化学稳定性，被美国食品药品管理局（FDA）批准为安全物质，对人体无害，广泛应用于食品、日用品、化妆品、医药、水产养殖等行业。[3][7]

消毒和灭菌

光触媒吸收自然光后，具有很强的吸收电子的能力，也就是强氧化性，能有效催化分解有害的有机物和无机物，还能消灭细菌和病毒。例如，光触媒能将室内环境中的甲醛、二氯苯、甲苯、二甲苯、TVOC等有害挥发性有机物降解为无毒无害的小分子团水和CO2。[1]同时，它还能将细菌和真菌释放的毒素分解无害化。[8]

永恒的

光触媒浓缩液具有干燥速度快的特点，一旦涂抹在基材表面，便能迅速干燥，成为不溶于水的物质，在10天内便能达到相当于4H铅笔的硬度。[7]在环境污染不严重的情况下，只要不磨损、不剥落，光触媒本身不会发生变化或受损，在光的照射下，能持续净化污染物，具有长效、持续作用等优点。但如果环境污染较为严重，部分硫酸根离子、硝酸根离子会影响光触媒的寿命和效果，造成失活，但通过相关技术工艺可恢复其活性。[8]

超亲水性

正常情况下，涂覆光触媒的表面与水的接触角较大，但在紫外光照射后，与水的接触角减小到5°以下，甚至为0°，意味着水滴完全浸没在光触媒表面，表现出非常强的超亲水性。停止光照后，表面超亲水性可以持续数小时至一周左右，然后慢慢恢复到光照前的疏水状态。如果再次接受紫外光照射，又能表现出超亲水性。间歇性紫外光照射可使表面始终保持超亲水性。[3]

自清洁

经过光催化处理的表面受到紫外线的刺激，能分解所接触的有机物，不仅有杀菌消毒的作用，还能将有害物质分解成无害的小分子。同时由于光催化条件下的超亲水性能，当灰尘落在光触媒涂层上时，只需要用清水冲洗，就能达到清洁表面的目的。[3]

功效及应用报告

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空气净化

光触媒在光照下产生羟基自由基，羟基自由基与空气中的有机物发生反应，生成无毒无害的无机物质，能有效分解甲醛、苯、氨等，将其转化为H2O和CO2，并氧化去除大气中的氨氮化合物、硫化物及各种异味，起到空气净化的作用。实验研究表明，光触媒对空气污染物的降解效果与其浓度有关，低浓度的甲醛可被光触媒完全分解为H2O和CO2，而较高浓度时则先被氧化成HCOOH等中间体，然后再分解为H2O和CO2。[8]

纺织品中不同程度地含有微量甲醛等有害物质，光催化处理不仅能有效降低甲醛等有害物质的含量，还能使纺织品在使用过程中更易于清洗。[9]

传统的地板精油只是保养地板，而通过添加光触媒制成光触媒木精油，不仅可以保养地板，还可以净化空气、去除甲醛。尤其是地板光照充足时，光触媒效果更强。[10]

抗菌材料

将光触媒溶胶通过拉、旋、喷、抹等方式涂在建筑瓷砖表面，再经过烘烤，在瓷砖表面形成一层固态的光触媒膜。这种光触媒瓷砖具有分解油污、杀菌除菌的功能，可用于厨房、卫生间等墙面。实验测试结果表明，抗菌陶瓷制品上存活的细菌数量不足普通陶瓷制品上的1%。这种抗菌效果可以有效防止阴暗、潮湿、难清洗的卫生洁具（如马桶、小便池）上细菌的繁殖和生长，并可防止尿液结垢和恶臭味的产生，具有很大的市场潜力。[8]

废水处理

在光照条件下，光催化剂能使水中的羟基、卤化物、羧酸等物质发生氧化还原反应，逐渐降解，最终变成无害的小分子。在阳光照射下，纳米 TiO2 负载海泡石处理橄榄油废水去除率可达 80%。[11]

抗紫外线产品

纳米光触媒具有很强的散射和吸收紫外线的能力，并将这种光能转化为化学能，从而具有抵抗紫外线、防止褪色和老化的作用。将纳米光触媒溶液添加到涂层剂中，并用其涂覆棉织物，可生产出具有良好抗紫外线性能的针织物。[3]

沥青在热、氧、日光等环境因素的作用下，会发生一系列的挥发、氧化、聚合等反应，导致其路用性能下降。一般地区受太阳辐射影响有限，因此热老化是沥青质量控制中主要考虑的因素。但在青海、西藏等高海拔地区，空气稀薄，太阳辐射强烈，紫外线老化严重影响沥青混凝土路面的使用寿命。纳米 TiO2 具有独特的紫外线屏蔽功能，化学性质稳定，能大大提高聚丙烯等材料的抗老化性能，在沥青中添加纳米 TiO2 可提高沥青的抗紫外线老化性能。[12]

TiO2光触媒对人体有害的中、长波紫外线有较强的吸收能力，而能透过可见光，无毒、无味、无刺激性，加之可随意着色，价格便宜，因此在防晒化妆品中得到广泛的应用。[8]

自清洁涂层

在太阳光照射后，TiO2 薄膜表面具有良好的润湿性和良好的光致超亲水性。TiO2 的亲水性和光催化性能使得有机和无机污垢难以粘附在涂层表面，表面可被自然雨水清洗干净。借助光致亲水性和 TiO2 的光催化性能，负载 TiO2 薄膜的涂层具有自清洁性能。[11]

将光触媒TiO2应用于汽车玻璃，可有效防止雨天起雾、起水珠，保持后视镜、前窗玻璃洁净明亮，方便安全驾驶。经过特殊处理，TiO2溅射在玻璃上，形成一层薄膜，具有防雾功能。当玻璃遇到水并接受光照时，表面形成水膜而不是水滴，玻璃干燥后不会留下水痕。[3]

陶瓷及卫浴在给人们的生活带来便利的同时，也带来了一个问题——卫生清洁。这一直是困扰人们的一个问题，尤其是马桶、洗脸盆，经过长期使用后会产生一定的异味或者污垢，这些污垢很难用普通的清洁方法去除。经过多年的实际应用，光触媒已经很好地融入到了陶瓷及卫浴的生产过程中。通过在陶瓷表面加载一层光触媒，不仅便于清洁，还能帮助分解异味、防止污垢附着，大大提高了陶瓷产品的易清洁性。[10]

疾病治疗

光催化的最新应用是在疾病治疗方面，日本学者藤岛彰研制的光催化捕蚊器已在疟疾猖獗的地区得到应用。[13-14]