淺談納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用

續(xù)釗

【摘 要】 伴隨科技的不斷發(fā)展及大氣污染問題的日趨嚴(yán)峻，近來年納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中得到廣泛推廣。本文將對納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用展開進(jìn)一步研究。

【關(guān)鍵詞】 納米光催化技術(shù)；大氣污染；治理；凈化

[Abstract] With the continuous development of science and technology and the increasingly serious problem of air pollution. This paper will further study the application of nano-photocatalysis technology in air pollution control.

[Keywords] nano-photocatalysis technology； air pollution； treatment； purification

對于納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用，首先應(yīng)當(dāng)研制出相應(yīng)規(guī)模且具備可靠催化性能的納米催化劑，對氮氧化物、碳?xì)浠?、揮發(fā)性有機(jī)物等大氣污染成本進(jìn)行講解。其次應(yīng)當(dāng)研發(fā)多種不同技術(shù)公用，并結(jié)合對應(yīng)空間環(huán)境中的空氣凈化裝置，在新技術(shù)發(fā)展完善后，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對大氣污染問題的有效治理。

1 大氣污染治理現(xiàn)狀

針對近年來日趨嚴(yán)峻的大氣污染，我國相繼出臺了一系列法律法規(guī)，強(qiáng)調(diào)了要加強(qiáng)對各種污染物排量的有效控制，構(gòu)建健全不同污染源頭的管理制度，推進(jìn)對相關(guān)區(qū)域中大氣污染的防治，從根本上改善大氣污染問題。目前，在國際層面依舊采用催化還原、低溫冷凝、高溫催化燃燒等方式，以對工業(yè)生產(chǎn)中形成的氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等進(jìn)行控制，由此表明，此類技術(shù)對污染源頭控制發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。

2 納米光催化技術(shù)概述

2.1 納米光催化原理

20世紀(jì)70年代，日本研究人員Fujishima等首次發(fā)現(xiàn)在近紫外光照射下，單晶金紅石型的TiO2電極能可使水于正常情況下發(fā)生持續(xù)氧化還原反應(yīng)，由此開啟了光催化技術(shù)研究的篇章。隨后，又有研究人員將TiO2作為光催化劑用以脫除多氯聯(lián)苯中的氯，由此標(biāo)志了光催化技術(shù)在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的推廣。在照射光波長小于相應(yīng)數(shù)值條件下，TiO2可吸收能量大于其能隙寬度的短波光輻射，使價(jià)帶電子形成躍遷，進(jìn)一步于導(dǎo)帶、價(jià)帶上產(chǎn)生高活性的電子對，可與附著于TiO2表層O2和H2O產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生具備強(qiáng)氧化性的超氧陰離子自由基、羥基自由基等，可實(shí)現(xiàn)對一系列有機(jī)污染物的充分氧化，進(jìn)而降解為水、二氧化碳、無機(jī)酸等產(chǎn)物[2]。于此期間，TiO2所扮演的是催化劑角色，不僅自身不會消耗，且不會造成環(huán)境污染。而納米TiO2憑借其量子尺寸效應(yīng)，相較于前者具備更高的能隙寬度和表面積，且擁有更強(qiáng)的氧化還原能力，由此使得材料的光催化活性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。近年來，納米光催化技術(shù)已然轉(zhuǎn)變成國際領(lǐng)域一項(xiàng)熱點(diǎn)的研究課題，在大氣凈化、貴金屬回收、污水處理等領(lǐng)域均得到廣泛推廣。

2.2 納米光催化新材料

憑借納米材料表層特殊效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)實(shí)際作用，使得催化劑可實(shí)現(xiàn)對污染物的有效吸附及生載流子分離。即便TiO2具備諸多優(yōu)點(diǎn)，TiO2強(qiáng)氧化催化技術(shù)，也是新型環(huán)境凈化技術(shù)的前提。然而TiO2也存在諸多不足，例如對實(shí)際操作范圍較為有限。由于只可受限不超過388mm的紫外光激發(fā)，因而無法實(shí)現(xiàn)對光的自由利用，容易重新復(fù)合的光生載流子會對光催化效率造成極為不利的影響[3]。光催化劑受到光譜響應(yīng)范圍小及量子效率不足很大程度影響，針對該種情況，國內(nèi)外研究人員開展大量深入的研究。對光催化劑表層性能、自身能帶結(jié)構(gòu)、孔身結(jié)構(gòu)等的調(diào)控，進(jìn)而提高光催化劑對電子對的最大分離率，為催化劑高性能及可靠的凈化氮氧性提供有力保障。

3 納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用

3.1 納米光催化技術(shù)應(yīng)用于凈化空氣

納米光催化材料可實(shí)現(xiàn)對空氣中諸如含硫化合物、氮氧化物等常見污染物的有效催化降解，所以納米光催化技術(shù)在空氣凈化領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體光催化效應(yīng)是由東京大學(xué)Akira Fujishima首次發(fā)現(xiàn)的，以其為代表的研究小組在半導(dǎo)體光催化的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域均做出了極大的貢獻(xiàn)。近年來，我國針對以半導(dǎo)體光催化技術(shù)為前提的空氣凈化研究也收獲了長足的發(fā)展。有研究人員研發(fā)出活性炭-納米TiO2復(fù)合光催化空氣凈化網(wǎng)，在特定前提下，可實(shí)現(xiàn)對空氣中一系列污染物的有效凈化，諸如，針對一氧化碳凈化率可達(dá)到60.1%，針對氨氣凈化率可達(dá)到96.5%，針對硫化氫凈化率可達(dá)到99.6%等[4]。經(jīng)對比實(shí)驗(yàn)得出，這一空氣凈化網(wǎng)可顯著提高光催化效率，同時(shí)可利用光催化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)活性炭的原位再生。還有研究人員研發(fā)的碳黑改性納米TiO2光催化膜，這一催化膜可很大程度上TiO2光催化劑的催化活性，并且具備良好的穩(wěn)定性。

3.2 納米光催化技術(shù)應(yīng)用于凈化機(jī)動車尾氣

機(jī)動車尾氣排放是現(xiàn)如今全球各大城市空氣污染物的主要來源之一，這些污染物包括有氮氧化物、固體懸浮微粒、一氧化碳、硫氧化合物等，均會對空氣環(huán)境造成極為不利的影響?，F(xiàn)階段，針對機(jī)動車尾氣的凈化處理，主要利用的是貴金屬三相催化劑，這一處理手段可實(shí)現(xiàn)高效的催化轉(zhuǎn)化，然而同時(shí)也存在貴金屬成本偏高、催化劑有毒性等不足。光催化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對機(jī)動車尾氣中一系列污染物的有效降解，是一項(xiàng)具備良好發(fā)展前景的機(jī)動車尾氣凈化技術(shù)。有研究人員研究得出，TiO2催化可實(shí)現(xiàn)對機(jī)動車尾氣中氮氧化物的有效凈化。還有研究人員指出，通過將TiO2催化材料添加進(jìn)半柔性堿性水泥路面中，可有效減少機(jī)動車尾氣中各式各樣的污染物，基于中和反應(yīng)，路面的堿性水泥可實(shí)現(xiàn)對附著于催化材料表層無機(jī)酸催化產(chǎn)物的有效去除，進(jìn)而為催化材料的活性提供可靠保障。

3.3 納米光催化技術(shù)應(yīng)用于降低溫室效應(yīng)

溫室效應(yīng)是新世紀(jì)以來人們面臨的一項(xiàng)重要環(huán)境問題。引發(fā)溫室效應(yīng)的關(guān)鍵人為污染物為CO2，所以改善大氣中CO2的排放是降低溫室效應(yīng)的重要一環(huán)。與此同時(shí)，以CO2為原料生產(chǎn)有價(jià)值化學(xué)用品是近年來綠色化學(xué)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注的一項(xiàng)課題，大氣中的CO2還原利用可收獲理想的綜合效益。半導(dǎo)體光催化技術(shù)即為一種具備良好發(fā)展前景的CO2還原技術(shù)。然而，現(xiàn)階段光催化還原CO2技術(shù)在工程應(yīng)用層面，因?yàn)樾势投y以得到廣泛推廣。近年來，超臨界流體光催化技術(shù)憑借其可顯著提高CO2催化還原反應(yīng)效率的優(yōu)勢，表現(xiàn)出了一定的發(fā)展?jié)摿?。而納米TiO2催化則是該項(xiàng)技術(shù)必不可少的一部分。相關(guān)研究人員借助濕化學(xué)浸漬技術(shù)提取出一種負(fù)載于石墨烯的納米TiO2材料，這一材料可顯著提高將CO2轉(zhuǎn)化成CH4的效率[5]。還有研究人員深入研究了納米TiO2將CO2轉(zhuǎn)化成CH4該催化技術(shù)的基本原理、發(fā)展前景等，指出相較于納米TiO2，添加進(jìn)Cu等金屬的納米TiO2具備更可靠的轉(zhuǎn)化效率及良好的市場應(yīng)用潛力[6]。

4 結(jié)束語

總而言之，納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用，可有效凈化空氣、凈化機(jī)動車尾氣、降低溫室效應(yīng)等，符合社會可持續(xù)發(fā)展要求。因而，大氣污染治理相關(guān)人員必須加大研究力度，加強(qiáng)對納米光催化技術(shù)的深入分析，切實(shí)推進(jìn)納米光催化技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，積極促進(jìn)大氣污染治理工作有序開展。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 呂鯤，張慶竹.納米二氧化鈦光催化技術(shù)與大氣污染治理 [J].中國環(huán)境科學(xué)，2018，38（03）：852-861.