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本文作者：施巧夢王香蓮作者單位：中國礦業大學環境與測繪學院

隨著科技的發展和人們生活水平的提高，人們通過室內裝飾裝修來追求工作生活環境的舒適性和美觀性，而隨之帶來的由揮發性有機物（VOCs）造成的室內空氣污染問題越來越嚴重，室內空氣品質（IAQ）越來越差。這些VOCs主要包括甲苯、甲醛、甲醇、三甲烷、苯及NH3等，它們不僅具有毒性，而且種類繁多，降解難度大，成為空氣污染治理中的一個棘手問題。納米tio2光催化凈化技術以溫和的反應條件、較高的化學穩定性、低廉的價格、對人體和環境無毒無害、不會產生二次污染等優點，成為最具潛力的空氣凈化技術之一。

1納米TiO2光催化作用的基本原理

TiO2是一種N型半導體氧化物，TiO2粒子的能帶結構是由一個充滿電子的低能價帶（VB）和一個空的高能導帶（CB）構成的，它們之間由禁帶分開。當TiO2粒子受到能量（E）大于或等于禁帶寬度（Eg）的光照時，價帶中的電子會吸收光子的能量，越過禁帶進入導帶，從而在導帶產生自由電子，同時在價帶產生空穴，形成電子—空穴對。由于半導體的能帶間缺少連續區域，所產生的電子—空穴對的壽命較長，在電場作用下分離并遷移到粒子表面。納米TiO2的光催化作用主要依賴于光生空穴的強氧化能力，可奪取半導體納米粒子表面有機物或溶液中的電子，使原本不吸收光的物質都被活化氧化，將其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成•OH，再由•OH無選擇地將有機物氧化，最終降解為CO2和H2O等簡單的無機物。光生電子與O2反應生成•OH和O2-等活性氧類也能參與氧化還原反應。

納米TiO2光催化降解室內vocs的機理是利用生成的•OH、O2-等具有強氧化性的基團，將室內空氣中的甲醛、甲苯等VOCs最終分解成CO2、H2O以及無機物等無害物質，達到消除VOCs的目的。VOCs降解過程可用下式表達：（略）。

2納米TiO2光催化降解室內VOCs的應用

目前，以納米光催化技術為基礎的產品已經大量開發并涌入市場，如，納米空氣凈化器、納米TiO2涂料等。在此基礎上，眾多學者對納米TiO2的制備、性能展開了深入的研究，并取得了可喜的成果。

2.1在凈化器中的應用

由于以機械過濾達到凈化空氣目的的凈化器只能去除空氣中一定粒徑范圍內的顆粒物，還可能產生二次污染，對于室內VOCs的降解不能夠起到理想的凈化效果，于是，人們開始尋求新的思路。納米TiO2光催化將VOCs氧化成CO2、H2O等小分子，具有良好的降解作用，被逐漸用于凈化器的制備。市場上開始出現了以TiO2為光催化劑的各種不同型式的光催化空氣凈化器，主要包括：迭放組合式光催化空氣凈化殺菌裝置、梳齒迭放組合式光催化空氣凈化殺菌裝置、單元結構式光催化空氣凈化殺菌裝置、管狀光催化空氣凈化殺菌裝置、面光源光催化空氣凈化殺菌裝置等。但當污染物濃度較低時，光催化降解速率較慢，而且部分污染物不能完全礦化，會生成醛類、酮類以及有機酸等許多有害的中間產物，導致催化劑失活，影響凈化效果，再加上納米TiO2多為粉末狀，難以回收，不符合可持續發展，因此納米TiO2常通過固定和改性兩方面提高對VOCs的降解效果。

國內學者古政榮等人提出了由支承體、活性炭和TiO2光催化劑組成的具有直通孔的多層結構的蜂窩狀整體式凈化網，具有凈化效率高、氣流阻力小、可以原位再生等特點。對空氣中甲醛、甲苯、三氯乙烯、硫化氫和氨氣的降解效率分別為98.5%、98.8%、99.5%、99.6%和96.5%。單興剛等采用研制的固定床空氣凈化裝置，在二氧化鈦光催化劑中摻Ag，并以活性炭為載體，取得了優異的空氣凈化效果，一次通過凈化裝置滅菌率可達96%，甲醛降解率可達99%以上，出口處細菌濃度和甲醛濃度分別達到醫院無菌室的要求和國家標準中對空氣中甲醛濃度的要求。

總體來看，納米TiO2的固定化主要方法是將TiO2粉末直接燒結或粘結在載體上的粉體燒結法，或將納米級的TiO2負載在載體上形成均勻連續的膜狀固定法。由于吸附劑不僅可以作為催化劑的載體，還能為光催化反應提供高濃度環境，提高光催化反應的效率，同時光催化作用降解吸附在吸附劑上的有機物，增強吸附劑的凈化能力，延長了吸附劑的使用壽命，因此納米TiO2常與吸附劑聯用降解室內VOCs。催化劑的改性措施除了上述提到的金屬離子摻雜外，還有表面光敏化、添加貴金屬、催化劑表面預處理、金屬表面沉積等方法，它們通過影響光生電子和空穴，進一步增強催化劑的活性。

2.2在涂料方面的應用

近幾年，關于納米TiO2涂料方面的報道越來越多，國內外很多研究者將納米TiO2涂料涂于室內建筑材料或室內裝飾品，用于降解室內VOCs。研究表明，納米TiO2涂料在有效分解室內的有機污染物的同時能氧化去除空氣中的氮氧化物（NOX）和硫氧化物（SOX）以及各類臭氣等，且具有良好的抗菌效果。表1總結了不同制備方法的納米TiO2涂料對室內VOCs的降解效果。

目前，納米TiO2涂料的制備方法主要有共混法和原位聚合法。前者方法雖然簡單，但難于解決納米粒子團聚問題，而后者的使用具有較大的局限性。這些都嚴重地影響了納米TiO2優異性能的充分發揮，為了充分有效控制團聚，提高分散穩定性，改善光催化活性，哈爾濱工業大學的姜洪泉以提高分散穩定性和改善光催化氧化活性為目的，采用溶膠-凝膠法，以銳鈦礦型納米TiO2粉體為載體、Na2SiO3為包覆劑、H2SO4為中和劑，制備了納米TiO2/SiO2復合粉體，并確定了最佳包覆工藝條件：分散劑5027用量為2%（wt），分散液pH值為9.5左右，中和時間為2h，包覆溫度根據對其光催化活性的不同要求可控制為23℃或80℃，包覆劑Na2SiO3用量為6%（wt），陳化液pH值為9.0左右。

3展望

納米TiO2在凈化器和涂料方面的應用是其在實際生活中的一個重大研究方向，它的開發與應用為降解室內VOCs的技術方法注入了新的血液。目前，國內對于納米TiO2仍有待進一步研究，以使其不僅能更好地提高凈化器凈化效果和完善涂料的綜合性能，且在機理和工藝成熟的基礎上可逐漸實現工業化，逐步拓寬納米TiO2在凈化器、綠色建筑材料等方面的應用。此外，對納米TiO2性質的研究也需不斷深入，催化劑具有較大的比表面積，粒子常易發生團聚極性，改性后的催化劑往往影響其催化性能，因此，如何獲得具有優越性能的納米TiO2也是催化領域面臨的新的挑戰。