文/陳福民

神奇的高科技環(huán)保產(chǎn)品
——光觸媒

文/陳福民

非典席卷全球期間，人們面對這場突如其來的災難，紛紛采取各種手段殺菌、消毒、清潔環(huán)境。最典型的是出租車，在那段期間，所有營運的出租車除打開車窗通風外，每日都要進行一次消毒工作。而一種新款的藍鳥轎車全面加裝了一種抗菌防護罩，并經(jīng)過這一技術處理后，車輛不僅不用天天消毒，而且在5年內不必再做任何消毒工作，車內空氣卻比車外的要更潔凈、更安全。這種殺菌消毒的產(chǎn)品，就是異軍突起的“光觸媒”。

“光觸媒”是什么

1967年，當時還是研究生的東京大學藤島昭教授在指導教師本多健一的指導下做了一次試驗，他對放入水中的氧化鈦單結晶進行了光線照射，發(fā)現(xiàn)水中冒出一串串氣泡，原來水被分解成了氧和氫。很快，這一技術作為從水中提取氫的劃時代方法受到了矚目，被以藤島和他指導老師的名字命名為“本多?藤島效果”而聞名于世。后來由于很難用這一技術在短時間內提取大量的氫氣，因此在轟動一時后迅速降溫。

由于這是借助光的力量促進氧化分解反應，因此后來將這一現(xiàn)象中的氧化鈦稱做“光觸媒”。實際上，觸媒是一種化學物質，在化學上，又被叫做催化劑。觸媒可以促使化學反應發(fā)生，或加速反應的速度。而光觸媒就是經(jīng)過光的照射，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質。以大家都耳熟能詳?shù)闹参锕夂献饔脼槔?，在光合作用中起重要作用的葉綠素，就可以稱為光觸媒。

科學研究表明，光觸媒最擅長處理空氣中極低濃度的有害化學物質，而且本身不會釋放出有害物質，因此是極優(yōu)異的環(huán)境凈化用觸媒。在太陽光或室內熒光燈的照射下，二氧化鈦吸收陽光中的紫外線后，內部電子被激發(fā)，在經(jīng)與二氧化鈦上的水氣反應后會形成活性氧類的超氧化物和羥基原子團，氫氧自由基可針對細菌（有機物質、有機氣體）做分解處理，若與紫外線相互配合更能使光觸媒之活性（即分解反應）速率加倍。因此，光觸媒能夠促進殺菌、抗毒、除臭、油污分解，起到強大的空氣凈化作用。把這些機能應用到生活中，是目前研究和開發(fā)光觸媒的最大目的。

于是，相隔20多年后，科學家用這一氧化分解效果來除臭而再度受到關注。此后，科學家發(fā)現(xiàn)，在光觸媒的反應中存在“如果照射不到光線就無法產(chǎn)生效果的致命弱點”。為克服這一弱點，科技人員反復試驗，加入原本就有殺菌作用的銅及銀后，即使在光線昏暗的場所也可以保持同樣效果。而且，在研究中還發(fā)現(xiàn)了水在氧化鈦的表面擴散的親水性能，并且發(fā)現(xiàn)只要加入硅就可以保持親水效果。這樣，作為抗菌瓷磚，日本東陶又推出了光觸媒型產(chǎn)品。而且，經(jīng)過科學家的反復研究，光觸媒這一技術的應用范圍得到不斷擴大。

光觸媒的神奇本領

權威部門檢驗顯示，在我國，近九成的新車都存在車內有害氣體嚴重超標問題，對駕乘人員的健康存在嚴重威脅。目前較常見的汽車凈化方法有許多種，但大多屬于被動保護。而“光觸媒”技術卻主動出擊，成為細菌、霉變和廢氣的天敵?！肮庥|媒”可主動凈化廢氣，不僅效果顯著，而且對人體非常安全。

2003年3月，在峻工不久的松下電工東京總公司大樓前，人們看到，成排的玻璃窗中，留有前一天大雨痕跡的玻璃和幾乎沒有污點的玻璃形成了鮮明對比。那些沒有污點的窗戶就是采用了經(jīng)光觸媒加工的玻璃。這種玻璃受到陽光照射后，就開始分解污垢，下雨時，雨水會將分解的污垢沖洗得一干二凈，使它成為不用清洗也不會臟的神奇玻璃。

這是因為將二氧化鈦經(jīng)特殊處理后濺鍍于玻璃上，形成薄膜，便具有防霧功能，其透明度、表面硬度與玻璃相似，更可耐400℃高溫。當玻璃遇水且接受光源照射時，其表面不結水滴而形成水膜，且當玻璃干燥后不會造成水痕。而當灰塵落于經(jīng)二氧化鈦處理后之物體上時，只需以清水清洗便會因二氧化鈦本身的親水性，使灰塵隨雨水一起脫落。光觸媒的這種“自我保潔效果”非常有效，所以近幾年高層建筑物在裝修中相繼采用了這一技術。2002年9月開業(yè)的東京“丸之內大樓”就采用了經(jīng)光觸媒加工的外墻瓷磚。除保潔外，這種瓷磚還可以分解大氣中的有害物質——氮氧化物，其效果相當于200顆楊樹。

二氧化鈦的超強殺菌本領在于它經(jīng)光照反應后會制造出氧化能力超強的氫氧自由基，它超強的氧化能力，可以破壞細胞的細胞膜，使細胞質流失至死亡，凝固病毒的蛋白質，抑制病毒的活性，并捕捉、殺除空氣中的浮游細菌，殺菌能力達到99.997%。醫(yī)學實驗證明，它可殺除大腸桿菌、綠膿菌、葡萄球菌、霉菌、化膿菌、白癬菌、徽菌等等；可分解空氣中過敏原、減少過敏性疾病及氣喘，亦可分解徽菌；可改善香港腳情形，甚至痊愈，且不傷皮膚。因此，在醫(yī)藥上已用來制造內服用胃藥，還利用光化學法生產(chǎn)抗癌藥。在醫(yī)院里，光觸媒還能有效地抑制病房癥候群，對病床、醫(yī)療器械等有效地殺菌消毒，不會遺留下具有抗藥性的細菌。同時，二氧化鈦受光后生成的氫氧自由基能加快有機物質、氣體的分解，提高空氣清凈效率，從而起到脫臭的功效。據(jù)歐美國家權威機構試驗室測試，每平方公分的光觸媒與其他脫臭物質相比，脫臭能力為高性能纖維活性碳的150倍，相當于500個活性碳冰箱除臭劑的功效。

作為食品和藥品的添加劑，美國FDA食品檢驗中心曾做過認定，二氧化鈦對人體決無傷害。因而光觸媒在解決室內污染的同時，還可被廣泛采用在食品、日常生活用品、化妝品、醫(yī)藥、養(yǎng)殖業(yè)中，可最大限度保證人體健康。其氧化分解能力比碳纖維、臭氧更強。由于它只是提供了反應的場所，并不參與化學反應，所以它的作用效果持久。

光觸媒是一種國際新興的先進環(huán)?？萍籍a(chǎn)品，無毒無害，使用簡單，用途廣泛。只要噴涂在室內外墻面上，即可持久發(fā)揮作用。目前，光觸媒已應用于醫(yī)療防護用品(如口罩、隔離衣等)、抗菌瓷磚、潔具、環(huán)?？照{、環(huán)保燈具等方面。有關專家相信在不久的將來，光觸媒會在我國的各個領域發(fā)揮出廣泛而卓越的環(huán)保作用。

引入納米技術的變化

光觸謀防真花

在開發(fā)應用光觸媒反應的產(chǎn)品時，如何縮小氧化鈦薄膜的厚度并做涂層處理是其中的一大難題。這一薄膜越厚，催化劑的效果就越高，但如果厚度越薄，越接近于透明，產(chǎn)品的外觀評價就會越高，兩者互相矛盾。

就拿用于建筑的光觸媒瓷磚來說，要想同時實現(xiàn)美觀和防污效果，就必須開發(fā)無色透明的薄膜涂層技術。在瓷磚上形成薄膜時，向表面涂布包含透明的釉和氧化鈦的液體原料。目前，日本東陶開發(fā)的技術是：在大約800度的高溫中燒制瓷磚，并覆蓋厚度200納米（1納米為10億分之1米）的高硬度氧化鈦膜。

日本科學家在開發(fā)光觸媒玻璃中，對向液體原料加入樹脂的配合比率、氧化鈦膜鍍在玻璃上時的溫度以及時機等細節(jié)上展開了進一步的研發(fā)。在此基礎上，為了均勻涂布一定量的液體原料，改進了機械的噴嘴部分，成功地形成了厚100納米的薄膜。他們?yōu)楣庥|媒產(chǎn)品同時實現(xiàn)美觀和耐久性能作出了努力，并開發(fā)出了預期效果的新產(chǎn)品。

東陶公司在率先投產(chǎn)了光觸媒瓷磚后，在將這一技術應用于玻璃中時采用了更為嚴格的條件。該公司的目標是，通過玻璃表面的氧化鈦膜防止光的折射。但要想在不損害耐久性能及原有效果的同時，防止光的折射及反射，就必須將膜厚控制在20納米以下，并實現(xiàn)均勻涂布。

因此，該公司使用5～10納米的細微氧化鈦粒子開發(fā)出了通過滾軸狀的材料將膜粘貼在玻璃上的薄膜形成法。由此，不僅實現(xiàn)了膜厚目標，而且耐久性能也提高了一倍。要想進一步提高耐久性能，就必須制作進一步提高氧化鈦粒子密度的薄膜。為了實現(xiàn)這一目標，科學家致力于進一步開發(fā)納米級別的涂層技術。

目前，這些瓷磚及玻璃的價格要比普通產(chǎn)品高出2成左右。雖然也有人認為，如果考慮墻壁及窗戶的保潔成本，5年左右就可以補回差價，但是由于尚未完全證實與價格相當?shù)男阅埽氖袌霾⒉幌裣胂蟮哪敲春谩?/p>

然而，眾多建材業(yè)界的相關人士認為，今后市場肯定會因效果明顯的自我保潔用途而不斷擴大。

隨著高科技的發(fā)展，科學家正在創(chuàng)造一種新的光觸媒，那就是在室內微弱的紫外線下也能發(fā)生反應的光觸媒，叫做“可視光應答型光觸媒”。這種可視光應答型光觸媒是在原有的氧化鈦中采取了促進紫外線吸收的表面處理等措施，即使在室內光線下也可以進行反應。從2001年開始，已有多家制造商開始投入使用，有的甚至應用在了內部裝修材料中。這些產(chǎn)品不僅可凈化室內空氣，還可消除導致出現(xiàn)辦公室癥候群的有害物質——甲醛。在日本，目前正在推進通過組合氧化鈦與在表面鑿有1～10納米的細微洞孔的陶瓷來提高吸收有害物質的研究。

光觸媒有望使用于環(huán)境凈化用途，比如分解土壤中的有害物質或改善河流水質等?？茖W家還有這樣一種構想，即通過組合只對特定物質產(chǎn)生反應的抗體和氧化鈦，只吸附和分解有害物質。如果將組合抗體和氧化鈦的這一催化劑制作成數(shù)百納米左右的膠囊狀產(chǎn)品，就可以使用于水和土壤的凈化用途。然后回收吸附有害物質的膠囊，在其它場所進行處理。

因此，光觸媒是一種能夠解決環(huán)境問題的、潛力巨大的基礎技術。