摘要：光催化技术作为一种新型绿色环保、高效低耗的净化技术，是当今解决室内空气污染问题的主要研究方向，具有巨大发展前景与未来市场。基于此，总结了光催化技术的原理、光催化材料的种类、合成方法和当前该技术的应用领域，推动该项技术的进一步发展应用。

　　关键词：光催化技术；光催化材料；空气净化

　　0引言

　　随着科技的发展，尤其是步入20世纪中叶至今，民用燃油的需求量急剧增大，室内外化学物品和家用电器设施的品种和总量也大幅增长，为了节省能耗，各地的房屋尤其是寒冷地区建造得更加封闭。同时由于各种装修材料散发出的有害气体，室内环境污染问题也逐渐严峻，再加上缺乏有效净化手段，导致室内空气污染物的浓度大幅上升，甚至已达到了900多种污染物种类。基于如此现状，研究更加安全高效的室内空气净化技术已是大势所趋，其中光催化技术已逐渐应用于此。

　　1光催化反应简介

　　被称为“当今世上最完美的环境净化科技”的光催化技术具有使用简便、功耗低、无二次污染、效能大等优势，能够通过把室内空气中的氢气当作氧化剂，在常温常压下进行化学反应，将有机合成废气溶解为多种无机小分子，从而达到完全空气净化的目的。此外，新型半导体光催化剂产品有着良好的化学性质稳定性，抗氧化还原性强，成本低，不产生吸附饱和现象，使用寿命也更长。

　　1.1光催化反应原理

　　从宏观上看，光催化反应即光合作用的逆反应，是催化剂在光的作用下，将有机物转化成无机物的过程；从微观上看，是较为稳定的二氧化钛粒子在吸收了紫外光的能量之后降解有机物，并在自身无损耗的情况下最终生成二氧化碳和水的过程，其原理如图1所示。

　　1.2光催化剂

　　光催化剂通常分为两类：过渡金属配合物和非金属有机物，如图2所示。其中，二氧化钛是最常用的光催化剂，它能够高效地溶解有机物、无机物和病毒。光触媒在日常生活中发挥着重要作用，它能够有效减少室内外空气中的有毒有害废气，如甲醛，从而达到清洁空气质量的目的；此外，它还能够有效消灭各种微生物，并将其释放出的毒素进行溶解和无害化处理。

　　2光催化技术在室内空气净化中的研究进展

　　2.1光催化材料

　　光催化材料主要为N型半导体材料，具有低禁带宽度等特点。吸收阳光或光源的能量后，它们可以以其他形式释放能量，形成强氧化剂或还原自由基，并将有害物质和无水有机物质分解为无害的二氧化碳和水。

　　2.1.1二价金属氧化物

　　TiO2、ZrO2、ZnO、WO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3、SiO2等。其中TiO2的综合性能最好，应用最广。二氧化钛是一种N型金属氧化物半导体，其禁带宽度在3.0~3.2 eV之间，有良好的抗光腐蚀性和催化活性，还具有化学稳定性好、绿色、无毒、成本低等优点，是目前公认的最佳光催化剂。锐钛矿的禁带宽度为3.2 eV，光催化活性在3种晶型中最高；金红石的禁带宽度为3.0 eV，光催化活性次之[1]。二价金属氧化物WO3和Fe3O2具有狭窄的能隙带，光谱中大多数波长的光能被吸收和利用。由于其高化学稳定性和良好的耐化学腐蚀性，CeO2也已成为光催化技术中最有前景的化合物之一。此外，其表面活化反应位点可在四价和三价铯离子之间自由切换，导致缺氧，形成空穴。

　　2.1.2复合金属氧化物

　　钒酸铋（BiVO4）具有光催化特性，可促进阳光和荧光灯下的化学反应。可杀死大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、绿脓杆菌、病毒等。钒酸铋含有多种晶型，包括有着出色可见光催化特性的单斜白钨矿型BiVO4（mBiVO4），它可以有效利用太阳光，弥补了常规半导体光催化物质TiO2带隙较宽、光生载流子重叠等不足，从而大大提高了光催化效果[2]。钙钛矿型材料具有与天然钙钛矿（CaTiO3）相同的晶体结构，其化学式为ABX3。A是碱土或稀土金属离子，B是过渡金属离子，X是原子半径较小的阴离子。钙钛矿型材料的催化性能可以通过元素取代和掺杂来控制。位点A和B可以被相同或不同价的离子取代，用A1-xA′xB1-yB′yX3+δ表示。钙钛矿材料由于其物理性质（如光、电、磁）和其他化学性质（如氧化还原、催化活性）而广泛用于催化领域，其光催化原理类似于传统光催化材料，在可见光或紫外线照射下，钙钛矿产生光生电子和空穴，在内部电场力的作用下，这些电子和空穴分别分离并转移到导带（CB）和价带（VB）。这些电荷与吸附在表面的氧和氧化物反应，产生的自由基具有强氧化性，从而使污染物降解[3]。

　　2.1.3金属硫化物

　　过渡金属硫化物是一类重要的半导体光催化剂，该类物质具有比金属氧化物更窄的禁带宽度，这使它们对可见光的利用更加充分，反应过程如图3所示。

　　硫化镉（CdS）是光催化分解水制氢的硫化物中表现最为突出的光催化剂之一。CdS的禁带宽度可以满足许多光催化反应的热力学要求，如光照条件下的分解水制氢、将CO2还原为其他含碳的能源材料和废水中染料的降解等。更重要的是，相比于大多数被研究的光催化材料（如TiO2、SrTiO3和ZnO）的导带边缘位置，CdS的导带边缘位置更负，这表明CdS光催化反应中产生的电子具有更强的还原能力[4]。

　　2.1.4非金属材料

　　相比于传统无机半导体，石墨相氮化碳（g-C3N4）拥有显著的优势：

　　1）拥有合适的电子能带构成：其禁带宽度约为2.7 eV，可见光响应较好，其导带底位置约为-1.1 eV（比H2O和CO2转换的还原电势更负），因此在光催化还原制取清洁能源应用领域具有宽广的应用前景。

　　2）拥有较好的热安全性和化学稳定性，因其层内由构造相对稳定的类芳烃C-N杂环结构组成，层间有较强的范德华力相互作用，使其拥有较好的热安全性和化学稳定性。

　　3）造价较低，因为它只含有C和N两种储量非常丰富的元素，使得它在制取清洁能源的应用领域中更具优势。

　　4）拥有出色的生物相容性，这使得它能够被广泛应用于实际生活中。

　　2.2合成方法

　　2.2.1气相合成法

　　气相合成法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）等。

　　通过化学气相沉积技术，可以将各种气态或蒸汽状态的原料引入化学反应室，使用加热、等离子激励或光辐照等各种能源，使其在气相或气固界面上进行物理化学反应，形成新的材料，最终沉淀到基片表层上，从而实现材料的固化和改性。CVD技术的应用，需要选择具有良好性能的化学反应剂，其中最佳的反应剂应具有较高的蒸气压，并且具有较高的纯度，以便在室温或不太高的温度下，能够有效地析出固态物质，从而形成薄层、晶须和晶粒，以及在气体中生成粒子。其他副产物可以轻易挥发，并且可以轻松地从气相中分离出来，化学反应也容易控制。

　　物理气相沉积的主要方法包括真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子电镀和分子束外延。迄今为止，物理气相沉积技术不仅可以沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。物理气相淀积技术的基本原理可分为三个工艺步骤：

　　1）镀层材料的气化：即使镀层材料蒸发，升华或被溅射，即通过电镀材料的气化源。

　　2）电镀材料中原子、分子或离子的迁移：由气化源提供的原子、分子和离子碰撞后，发生各种反应。

　　3）镀层材料的原子、分子或离子在基体上沉积。

　　2.2.2液相合成法

　　液相制备工艺技术包括溶胶-凝胶法和微乳液法等。

　　溶胶-凝胶法是一种在液体中，将含有高活性成分的物质与其他化学品混合的方法，通过分解和缩合的物理化学反应产生相对稳定的透明溶胶系统。通过将酯类物质或各种金属醇盐溶化于有机合成溶液中，并在指定温度控制下完成反应速度，凝胶可以经由风干、烧结凝固，最终形成拥有蛋白质或纳米构成的物质，这一过程可以有效地提高物质的性能，并且可以满足不同应用场景的需求。溶胶-凝胶法是一种化学方法，它首先将试样溶化在介质中，接着通过分解化学反应生成活性单体，这些单体经由凝聚化学反应成为溶胶，并且具备相应的空间构造。最终，通过风干和热处理，制造出纳米粒子和所需要的物质。

　　其最基本的反应是：

　　水解反应：M（OR）n+xH2OM（OH）x（OR）n-x+xROH。

　　聚合反应：

　　-M-OH+HO-M--M-O-M-+H2O，

　　-M-OR+HO-M--M-O-M-+ROH。

　　通过研究双分子亲核加成的反应机理，发现亲核试剂的活性、金属烷氧化合物中配位基团的特性、金属原子中心的配位扩散以及不同金属原子之间的亲电性都对化学反应的效率有显著影响，从而影响化学反应的结果。配位不饱和度定义为金属氧化物的总配位与金属氧化价态数之间的差，反映了金属中心的配位膨胀能力。

　　微乳液法的特点是特征粒子的单分散性和界面性能良好，Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米粒子主要用该方法制备。微乳液是一种热动力比较稳定、通透的单分散体系，它由O/W型和W/O型外表活性剂化合物构成，其粒度介于5~70 nm之间，可以在油/水界面上形成有序的结构。它具有良好的分散性，可以有效地改善物质的性能，提高物质的稳定性。

　　3光催化技术在室内空气净化中的应用

　　3.1涂料

　　光催化涂料具有抗菌、降解有机物和净化空气的作用。

　　1）光催化涂料涂覆到基材表层，能够产生TiO2纳米涂膜，在紫外线辐照下，TiO2会被激发，产生电子空穴对，并与氧气、水等化学物质相互作用，产生超氧负离子、氢氧自由基和H2O2等活性基团，有效地溶解表层有机污染物，将其转变为环保无害的无机产物。

　　2）TiO2具备超亲水性，导致涂料表面上无法黏附有机物，进而有效减少污染物的排放量，维持空气质量。光催化涂膜拥有超强的亲水性，能够有效地抵抗雨水冲刷污染，当水触及到涂层表面时，会立即产生一个水膜，随着重力和涂层表面亲水性的作用，水膜会不断扩展，致使表层的灰尘、污垢等污染物随水流滑落，进而达到清除污染的目的。通过光催化降解有机物和光致亲水性的共同作用，涂膜能够实现表层耐污自清洁，在紫外线作用下，水在涂膜表层的相接触角能够减小至10。以内或接近0。，进而显示出超亲水性能，这种特性使涂膜拥有出色的防雾能力。这种特殊的水溶性和分解有机物的能力，使其拥有出色的自洁性能[6]。

　　3.2空气净化器

　　光催化空气净化器是一种先进的技术，它利用复合纳米材料制成，在低温条件下，光催化纳米粒子受到光照，形成电子和空穴对，溶解吸收在表面的水分子，形成氢氧自由基，电子使其附近的氧还原成活性分子氧，具有极强的还原性，可以有效地去除光催化剂表面的污染物，同时也可以有效地杀死表面的细菌和病毒。

　　4结语

　　光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术，针对如今越来越严峻的环境污染与能源短缺问题，提高对于可见光这项清洁能源的利用率变得尤为重要，可见光催化不仅可以将水和空气中的各种污染物直接利用低密度阳光降解和矿化，又可以将低密度的太阳光能转化为高密度的化学能、电能，在环境净化和新能源开发方面具有巨大的潜力。同时，光催化可在室温下利用太阳光，还具有低成本、无污染的优点。一旦在可见光响应催化材料方面取得突破，其市场前景将不可估量。虽然光催化技术的应用的范围正在不断扩大，但这项技术仍面临着很多难题，存在大量的未知，因此必然要继续加大对光催化技术的研究投入。

　　参考文献

　　[1]孙若阳，赵显一.二氧化钛光催化剂的制备及应用进展[J].当代化工，2023，52（1）：202-208.

　　[2]陈雅倩，彭梦，袁华.钒酸秘光催化剂的改性及其光催化降解性能研究[J].化学与生物工程，2022，39（11）：27-31.

　　[3]张琴琴，李再兴，陈晓飞，等.钙钛矿型光催化材料的应用现状及进展[J].精细化工，2022，39（12）：2398-2408.