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2018-12-20 14:53:07
“吃掉”有機污染物 “消化”成無污染物
2018-12-20 14:53:07 來源: 科技日報
材料抗菌防霉性評價實驗室
中國建材總院綠色建筑材料國家重點實驗室
在第20屆中國科協年會閉幕式上，中國科協副主席、國際宇航科學院院士李洪對外發布由中國科協組織征集遴選的60個重大科學問題和重大工程技術難題，涉及公共安全、空天科技、信息科技、醫學健康等12個領域。李洪說：“這些(問題)代表了我國科技領域真正的‘硬骨頭’”。
中國建筑材料科學研究總院有限公司(以下簡稱中國建材總院)提出的高活性可見光催化材料，被列入60個重大科學難題之一。
高活性可見光催化材料是一種什么樣的材料，為什么研究該材料，這種材料研究的科學問題、技術難度點在哪?筆者就此進行了深入了解。
關乎國計民生的大事
“高活性可見光催化材料”是一種利用光催化技術的原理，在可見光或者LED燈下，能捕獲有機污染物，通過氧化還原反應將有機物完全分解為無污染的CO2和水。這種材料與吸附型的凈化材料有明顯區別。
吸附型凈化材料，只是將污染物吸附到吸附劑中，雖然污染物發生轉移，但并沒有被分解，同時材料飽和后將不再吸附，對污染物不再具有凈化效果。高活性可見光催化材料則將污染物通過化學反應分解為無污染的無害物，達到降解作用，也不存在吸附飽和問題，如果材料穩定，將會一直分解有機物，起到永久凈化的目的。
因為能有效去除污染物，高活性可見光催化材料研究也成為關乎國計民生的大事。
目前，室內污染是人類健康的一大殺手。據流行病學統計，在我國，白血病的自然發病率約為十萬分之四，每年新增約4萬名白血病患者，其中40%是兒童。醫學界普遍認為，除了家族遺傳，環境污染應是兒童白血病的重要誘因。
家庭裝修會帶來室內環境污染。資料表明，居室中常見的有害物質，僅美國環保署正式公布的就有189種，其中危害較大的主要有甲醛、苯系物、氨、三氯乙烯和石棉等。
如果將高活性可見光催化材料用于室內涂裝材料，能有效降解室內有機污染物。
對建筑外墻，高活性可見光催化材料也能起到清潔以及緩解大氣污染的作用。
它能將自然界存在的太陽光能轉換為化學反應所需的能量，用于發生催化作用，使周圍的氧氣及水分子被激發成極具氧化力的OH·及O2-自由基離子，不僅能起到凈化作用，還能緩解大氣污染，并將能源有效利用。
水是生命的源泉，是人類賴以生存和發展的不可缺少的最重要的物質資源之一。
“高活性可見光催化材料”還能用于水污染凈化，將水體中有機物包括液相染料、重金屬等完全降解或無害化。” 中國建材總院水泥科學與新型建筑材料研究院環境材料科學與工程研究所所長、博士生導師冀志江教授舉例說，偶氮芳香染料如甲基橙和亞甲基藍，是造紙、皮革、化妝品、藥品和其他工業中最主要的有毒污染物和合成染料。直接排放未經處理的染料會毒害水生生物，并間接影響人類健康。
基礎研究存在三大瓶頸
然而，目前國內外對“高活性可見光催化材料”的認識多局限于基礎研究。真正實現產業化應用的研究成果還比較少，現已成為全人類面臨的一個急需解決的重大科學難題。目前國內外研究存在三大瓶頸：
一是光催化效率有待提高。光催化效率是評定一種催化劑性能的重要指標之一。光催化效率高就能短時間內將有機污染物完全降解，及時有效地緩解環境污染問題。同時高效率的催化劑可用較少的量發揮更大的凈化作用。
二是實現可見光催化難。普遍的光催化材料在紫外光條件下活性較高，而在可見光下活性很低，例如大家普遍認可的在紫外光下高效的光催化劑——商用P25，然而紫外光在太陽光中僅約占5%，所以在太陽光下，這種催化劑光利用效率很低，光催化效率也低，大大限制了它的應用。若催化材料在可見光下活性高，那么在LED燈下就能凈化空氣污染物，從而室內空氣污染問題就迎刃而解。
三是難以實現工業化生產。實驗室研究可以不考慮成本、能耗、環保、穩定性等問題，進行了一百次實驗，成功了一次就是成功了，但只證明了可行性。在實際放大生產過程中，制備條件并不能像實驗室條件可控以及穩定，存在很多不可控的因素，因此開發一種可行的、穩定的制備方法是實現光催化劑工業化應用的關鍵問題所在。同時工業化生產中還要考慮成本、能耗、環保、產率、技術可操作性、穩定性等問題，進行了一百次工業化生產，如果有一次不成功那就是百分之一不合格。
“通過化學改性的手段，在TiO2結構中引入金屬、非金屬來提高其可見光活性，還可開發一種新型的可見光催化材料，例如氮化碳(C3N4)光催化材料，氮化碳是近幾年來新興的非金屬半導體材料，在可見光下可高效降解有機污染物。C3N4與TiO2復合形成異質結也是一種策略，既能實現可見光響應，又能改善催化效率。當然還有TiO2與石墨烯、碳量子點、鉍系材料復合形成的異質結催化劑。”冀志江說，“在工業化中真正實現效果顯著、能夠解決問題的可見光目標還未達到。”
雖然目前我國在基礎研究上做了大量工作，一直推進工業化生產，但實驗室和產業化應用間還是有一定差距。
“例如，目前大家比較認可的明星光催化材料是德固賽P25，不管是在基礎研究還是工業化生產方面，目前我們評價一個催化劑性能的好壞都是以P25為衡量標桿，它具有穩定的光催化凈化能力，也實現了批量產業化生產。”冀志江同時提道，在真正使用上，P25還是有局限性，比如在催化劑回收再利用方面，水凈化后要將P25催化劑回收，由于催化劑的納米尺寸效應，很難從水相中回收出固體催化劑，即使按照現有工藝回收，也需要很大的成本和精力。“這就是材料特性和工業應用之間的鴻溝。”
正推進大工業級生產和應用
“十三五”期間，中國建材總院制備高活性光催化材料已取得一定成果。在可見光響應和團聚分離方面，中國建材總院已取得顯著進展。
“一方面，采用礦物負載技術解決了納米TiO2易于團聚的問題，改善了納米催化劑的吸附能力，制備的TiO2/礦物復合催化材料具有優異的可見光凈化性能。另一方面，通過調節TiO2的形貌或晶面，改善TiO2自身的催化性能。”冀志江說，“在基礎研發過程中，中國建材總院分別研究水解沉淀法與溶劑熱法兩種制備工藝及性能優化，從設備選型、生產環境影響、廢氣廢水處理及循環利用、經濟效益等角度，對兩種制備工藝進行了全面的可行性分析，目前在中試化生產階段，已建成一條中試生產線，材料已經在涂裝材料中應用，在這方面我們已有顯著進展。”
他同時提到，目前中國建材總院制備的TiO2/礦物復合催化材料具有易于固液分離的優勢，解決了回收問題，但在大工業級生產和應用過程中是否還存在其他難以解決的問題，有待進一步研究和實踐驗證。
在環境功能建材的研發和生產方面，中國建材總院有著很多的經驗，例如長效抗菌防霉劑、硅藻土高效利用的生態環保涂料、電磁波吸收建筑材料、相變材料的生產等都實現了產業化，也得到了許多廠家的認可。“我們也希望憑借這方面的經驗與優勢，爭取將催化材料更大規模地應用到建材領域，努力將我們的基礎研發成果真正轉化為產業。”冀志江說。
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