【doc】前景光明的纳米光催化剂

【doc】前景光明的纳米光催化剂 前景光明的纳米光催化剂 臬 永 法 研究背景 1972年Fujishima关于H:O (水)在TiOf二氧化钛1电极上光 催化分解为H:(氢)和O(氧)的发 现,标志着多相光催化时代的开 始.7O年代随着世界范围内能源 危机的爆发,以太阳能转化和利 用光催化制氢为目的的研究课 题,因其在开发新能源,改变能源 结构及保护生态环境方面所具有 的深远意义而成为光催化应用研 究领域的热点.该方面的研究在 8O年代达到了高峰.但由于普通 TiO的光催化活性较低,因此该 方面的研究一直没有突破性的进 展.9O年代后,由于全球性的环境 污染问题日益严重以及纳米制备 技术的高速发展.以纳米TiO:光 催化剂为重点的环境光催化研究 成为材料科学,催化化学以及环 境科学等研究领域的热点之一. 随着纳米技术的崛起,以纳米制 备技术为基础的光催化剂在太阳 能转化以及环境净化方面显示出 良好的应用前景. 纳米光催化剂的特性 当TiO:催化剂的粒径达到纳 米量级时,会显示出与宏观特性 明显不同的优异光催化性能.特 别是TiO纳米光催化剂具有优异 的半导体光催化氧化还原特性. 在一定波长的光照下,催化剂表 面可以产生氧化能力很强的光生 空穴,该光生空穴的能量相当于 15000K的温度,不仅可把各种 细菌杀灭而且可以使各种有机物 氧化分解掉. 与传统技术相比,光催化技术 具有两个最显着的特征.第一.光 催化是低温深度反应技术.光催 化氧化可在室温下将水,空气和 281200/年第,期(总第386期 土壤中有机污染物完全氧化成二 氧化碳和水等无害产物.而传统 的高温焚烧技术则需要在极高的 温度下才可将污染物摧毁.即使是 常规的催化氧化方法亦需要几百 度的高温:此外,目前广泛采用的 活性炭吸附法只是将污物源转移, 并没有使污染物分解,此外吸附剂 的吸附饱和通常不可避免地带来 净化效率显着下降,吸附剂再处理 及二次污染等问题第二.光催化 可利用太阳光作为光源来活化光 催化剂,驱动氧化一还原反应,达 到净化目的.从能源利用角度来 看.这一特征使得光催化技术更具 魅力. 研发现状 9O年代初,科学家开始对污 水中有机污染物的光催化净化进 行广泛研究,如TiO光催化对氯 代芳烃,表面活性剂,除草剂及杀 虫剂的光催化降解等.1993年东 京大学Fuiishma等提出了将TiO 光催化剂应用于环境净化的建议, 从此光催化在环境净化上的研究 成为研究的主流方向,进人了蓬勃 发展阶段.此外,日本在9O年代实 施了净化空气的恶臭管理法,掀起 了大气净化,除臭,防污,抗菌,防 霉,抗雾和开发无机抗菌剂的热 潮.在这样的背景下,环境友好光 催化技术作为新型环保技术,其应 用研究和产业化受到广泛的重 视. 世界许多国家,尤其是日本, 美国,加拿大,法国等发达国家均 投人了大量的资金和研究力量从 事光催化功能材料及相应技术的 研究开发,涉及光催化消除环境污 染物的研究报道日益增多许多 公司与大学合作研制开发出包括 箭豢炎精慕炎箍稿 水质净化器,空气净化器,室内保 洁装饰材料,食品和花卉保鲜膜, 自清洁和抗雾膜玻璃等光催化产 品以日本为例,与推广应用光催 化技术有关的公司已有近千家.年 产值愈500亿日元.从1997底开 始,日本松下,三洋等几个大公司 的光催化空气净化器陆续上市. 我国对光催化的研究起步较 晚,与发达国家相比,在光催化领 域从基础研究到开发应用都存在 一 定的差距但随着经济的发展, 人民生活水平不断提高,尤其是纳 米技术的兴起,我国的光催化剂研 究也得到了蓬勃的发 展.目前国内有70,80 个大学和研究所的近300 个研究小组在进行纳米 光催化技术的研究和开 发.国家和政府也十分重 视对纳米光催化剂的研 究.在我国的"十五"规 划,国家的纳米计划以及 超级863计划中,都把纳 米光催化列为重要研究 项目.在九五"期间.国 家已投重资在福州大学 进行光催化产业化的研 100%净化(正常空气中甲醛浓度 为01,lppm左右)目前,该项 目已进人产业化前期研究. 应用领域 纳米光催化剂在环境净化和 能源利用上具有非常广阔的应用 前景.光催化剂在紫外光的作用 下不仅可以杀灭空气中的细菌还 可以把空气中的有毒物质如甲醛, 甲苯等催化转化为无毒的二氧化 碳和水.此外,纳米光催化剂还可 以应用于生活用水的杀菌和净化, 不仅可以100%杀灭水中的细菌, 化性能,目前许多研究机构正在进 行以下产品的产业化开发:(1)光 催化空气净化器;(2)空调(家用. 汽车以及中央空调)末端的光催化 空气净化部件;(3)饮用水杀菌净 化器;(4)自清洁抗菌涂料;(5)自 清洁抗菌玻璃和陶瓷;(6)新型太 阳能电池等.这些技术和产品对 我们生活质量的提高具有重要的 意义. 困难与进展 纳米光催化剂在研发和实际 应用方面还存在一定的困难.如 究.各级地方政府和企业对光催 化技术及其应用前景也十分看好, 北京市和北京首创集团也在清华 大学投巨资建立专门研究纳米光 催化剂的研发中心.国内市场从 2000年底开始出现光催化空气净 化器,但目前还没有形成规模效 应. 清华大学在多孔薄膜光催化 剂,大颗粒表面负载薄膜光催化剂 以及丝网膜光催化剂的研究方面 取得了突破性进展.获得的薄膜 光催化剂性能十分优异,可以把甲 醛浓度为lO00ppm的污染空气 纳米薄膜光催化剂的衰观形貌 还可以大幅度净化水中的有毒物 质.纳米光催化剂在自清洁涂料, 自清洁玻璃方面也具有很好的应 用前景.利用环境太阳光,纳米光 催化剂还可以催化净化污水,在环 境保护方面发挥重要作用.纳米 光催化剂在太阳能的利用上也具 有广阔的应用前景.利用纳米TiO 光催化剂开发的太阳能电池,其光 电转化效率可以达到33%,高于 目前的单晶硅太阳能电池,并且具 有造价低,可以制备成柔性电池等 优点 鉴于纳米光催化剂的优异净 活性很高的纳米粉体催 化剂具有颗粒聚集,分离 困难等缺点.而普通负载 薄膜催化剂又有比表面 小,活性低以及结合强度 差等弱点.此外纳米光催 化剂必须使用紫外光源, 这大大限制了它的应用 范围.目前,通过研究已 使这些问题逐渐得到解 决.如利用丝网负载技术 可以解决目前薄膜催化 剂和粉体催化剂的局限; 利用掺杂氮技术,可以使. 光催化剂在太阳光下具有更高的 催化活性. 在纳米光催化剂的产业化方 面还存在以下几方面的困难:(1) 纳米光催化剂的制备技术.目前 的纳米制备技术还存在成本高,稳 定性差,工艺过程复杂以及规模生 产困难等问题.(2)纳米光催化剂 的高活性和高寿命技术.现有纳 米光催化剂的活性还比较低,不太 适合处理高浓度的污染物质.此 外,光催化剂的寿命问题也没有获 得突破.(3)纳米光催化剂的固载 化技术.纳米粉体(下转第4l页) 2州年簟9期c薏蕈枷期】J29 组织器官的相互关系,即可精确确 定病变部位. 3,MRI采用无创性技术,并且 无射线辐射伤害,真正避免了其他 影像学检查如射线或放射性核元 素扫描显像等射线辐射对人体的 伤害. 4MRI无需造影剂即可清楚 地显示心脏和血管,免去了患者在 接受插管和静脉注射造影剂时所 要承担的额外痛苦和风险. 5,MRI可诊断多发性硬化, 也可以在早期对中风进行诊断 6.MRI无骨性伪影,可随意作 直接的多方向(横断,冠状,矢状 或任何角度)切层,对颅脑,脊柱 和脊髓等的解剖和病变的显示优 于CT(计算机体层摄影术). MRI系统有着许多无可比拟 的优点.可是这并不代表MRI能 完全取代其他影像学检验,如cT 检验,超声波检验等.因为MR/目 前还存在着许多不足之处: 1.MRI设备和检验费用昂贵, 是目前影像学检验中费用较高的. 2.MRI检验持续时间长,且 MRI扫描仓内有明显噪声,需患者 密切台作并保持平静,以免导致检 验失败. 3对患者的身体移动非常敏 感,易产生伪影,故不适于对急诊 和危重患者进行检验对于充气 性内脏的检验也有困难.需要采用 对比剂. 4.对于特殊人群不适用如 带有心脏起搏器的患者绝对禁忌, 因为电磁干扰可能导致停搏 5体内有金属,如假肢,弹 片,止血夹,人工心脏瓣膜,固定 用钢板,螺钉,人造骨骼等,不可 进行MRI检验,因金属异物的移 动可能损害重要脏器和血管,位于 受检部位可产生伪影. 结束语 MRI技术相对而言仍处于发 展初期,大规模应用此技术也是近 20年的事情这比起x光仪100 余年的历史来说是非常短暂的不 过磁共振技术的发展却是十分迅 速的.目前,磁共振血管造影和电 影摄影新技术已步入临床,且日臻 完善最近又实现了磁共振成像和 局部频谱学的结台,而且可以对除 氢原子核外的其他原子核如氟, 钠,磷等进行MRI成像这些成就 将能更有效地提高MRI成像诊断 的正确性,也开辟了MRI新的临 床应用目前研究人员正在开发和 完善体积更小的微型MRI扫描 仪,通过这种扫描仪可以很方便地 对身体的局部部位进行扫描和检 测.美国科学家也开始对磁共振成 像进行更为深人的研究,在对实质 性脏器以水为基础的磁共振成像 基础上.开始对充气性脏器以气体 为基础的MRI研究.相信这一切 可以使MRI技术日臻完善,相信 未来MRI技术这把以无隙入有间 的宝刀将可以帮助我们更好地了 解我们自己,可以更好地为我们服 务.(马旭东/鳊译) 2001年蕈,期(总第j材期)l41