“吃掉”有机污染物 “消化”成无污染物——记中国建材总院高活性可见光催化材料研究

在第20届中国科协年会闭幕式上，中国科协副主席、国际宇航科学院院士李洪对外发布由中国科协组织征集遴选的60个重大科学问题和重大工程技术难题，涉及公共安全、空天科技、信息科技、医学健康等12个领域。李洪说：“这些(问题)代表了我国科技领域真正的‘硬骨头’”。

中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称中国建材总院)提出的高活性可见光催化材料，被列入60个重大科学难题之一。

高活性可见光催化材料是一种什么样的材料，为什么研究该材料，这种材料研究的科学问题、技术难度点在哪?笔者就此进行了深入了解。

关乎国计民生的大事

“高活性可见光催化材料”是一种利用光催化技术的原理，在可见光或者LED灯下，能捕获有机污染物，通过氧化还原反应将有机物完全分解为无污染的CO2和水。这种材料与吸附型的净化材料有明显区别。

吸附型净化材料，只是将污染物吸附到吸附剂中，虽然污染物发生转移，但并没有被分解，同时材料饱和后将不再吸附，对污染物不再具有净化效果。高活性可见光催化材料则将污染物通过化学反应分解为无污染的无害物，达到降解作用，也不存在吸附饱和问题，如果材料稳定，将会一直分解有机物，起到永久净化的目的。

因为能有效去除污染物，高活性可见光催化材料研究也成为关乎国计民生的大事。

目前，室内污染是人类健康的一大杀手。据流行病学统计，在我国，白血病的自然发病率约为十万分之四，每年新增约4万名白血病患者，其中40%是儿童。医学界普遍认为，除了家族遗传，环境污染应是儿童白血病的重要诱因。

家庭装修会带来室内环境污染。资料表明，居室中常见的有害物质，仅美国环保署正式公布的就有189种，其中危害较大的主要有甲醛、苯系物、氨、三氯乙烯和石棉等。

如果将高活性可见光催化材料用于室内涂装材料，能有效降解室内有机污染物。

对建筑外墙，高活性可见光催化材料也能起到清洁以及缓解大气污染的作用。

它能将自然界存在的太阳光能转换为化学反应所需的能量，用于发生催化作用，使周围的氧气及水分子被激发成极具氧化力的OH·及O2-自由基离子，不仅能起到净化作用，还能缓解大气污染，并将能源有效利用。

水是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一。

“高活性可见光催化材料”还能用于水污染净化，将水体中有机物包括液相染料、重金属等完全降解或无害化。” 中国建材总院水泥科学与新型建筑材料研究院环境材料科学与工程研究所所长、博士生导师冀志江教授举例说，偶氮芳香染料如甲基橙和亚甲基蓝，是造纸、皮革、化妆品、药品和其他工业中最主要的有毒污染物和合成染料。直接排放未经处理的染料会毒害水生生物，并间接影响人类健康。

基础研究存在三大瓶颈

然而，目前国内外对“高活性可见光催化材料”的认识多局限于基础研究。真正实现产业化应用的研究成果还比较少，现已成为全人类面临的一个急需解决的重大科学难题。目前国内外研究存在三大瓶颈：

一是光催化效率有待提高。光催化效率是评定一种催化剂性能的重要指标之一。光催化效率高就能短时间内将有机污染物完全降解，及时有效地缓解环境污染问题。同时高效率的催化剂可用较少的量发挥更大的净化作用。

二是实现可见光催化难。普遍的光催化材料在紫外光条件下活性较高，而在可见光下活性很低，例如大家普遍认可的在紫外光下高效的光催化剂——商用P25，然而紫外光在太阳光中仅约占5%，所以在太阳光下，这种催化剂光利用效率很低，光催化效率也低，大大限制了它的应用。若催化材料在可见光下活性高，那么在LED灯下就能净化空气污染物，从而室内空气污染问题就迎刃而解。

三是难以实现工业化生产。实验室研究可以不考虑成本、能耗、环保、稳定性等问题，进行了一百次实验，成功了一次就是成功了，但只证明了可行性。在实际放大生产过程中，制备条件并不能像实验室条件可控以及稳定，存在很多不可控的因素，因此开发一种可行的、稳定的制备方法是实现光催化剂工业化应用的关键问题所在。同时工业化生产中还要考虑成本、能耗、环保、产率、技术可操作性、稳定性等问题，进行了一百次工业化生产，如果有一次不成功那就是百分之一不合格。

“通过化学改性的手段，在TiO2结构中引入金属、非金属来提高其可见光活性，还可开发一种新型的可见光催化材料，例如氮化碳(C3N4)光催化材料，氮化碳是近几年来新兴的非金属半导体材料，在可见光下可高效降解有机污染物。C3N4与TiO2复合形成异质结也是一种策略，既能实现可见光响应，又能改善催化效率。当然还有TiO2与石墨烯、碳量子点、铋系材料复合形成的异质结催化剂。”冀志江说，“在工业化中真正实现效果显著、能够解决问题的可见光目标还未达到。”

虽然目前我国在基础研究上做了大量工作，一直推进工业化生产，但实验室和产业化应用间还是有一定差距。

“例如，目前大家比较认可的明星光催化材料是德固赛P25，不管是在基础研究还是工业化生产方面，目前我们评价一个催化剂性能的好坏都是以P25为衡量标杆，它具有稳定的光催化净化能力，也实现了批量产业化生产。”冀志江同时提道，在真正使用上，P25还是有局限性，比如在催化剂回收再利用方面，水净化后要将P25催化剂回收，由于催化剂的纳米尺寸效应，很难从水相中回收出固体催化剂，即使按照现有工艺回收，也需要很大的成本和精力。“这就是材料特性和工业应用之间的鸿沟。”

正推进大工业级生产和应用

“十三五”期间，中国建材总院制备高活性光催化材料已取得一定成果。在可见光响应和团聚分离方面，中国建材总院已取得显著进展。

“一方面，采用矿物负载技术解决了纳米TiO2易于团聚的问题，改善了纳米催化剂的吸附能力，制备的TiO2/矿物复合催化材料具有优异的可见光净化性能。另一方面，通过调节TiO2的形貌或晶面，改善TiO2自身的催化性能。”冀志江说，“在基础研发过程中，中国建材总院分别研究水解沉淀法与溶剂热法两种制备工艺及性能优化，从设备选型、生产环境影响、废气废水处理及循环利用、经济效益等角度，对两种制备工艺进行了全面的可行性分析，目前在中试化生产阶段，已建成一条中试生产线，材料已经在涂装材料中应用，在这方面我们已有显著进展。”

他同时提到，目前中国建材总院制备的TiO2/矿物复合催化材料具有易于固液分离的优势，解决了回收问题，但在大工业级生产和应用过程中是否还存在其他难以解决的问题，有待进一步研究和实践验证。

在环境功能建材的研发和生产方面，中国建材总院有着很多的经验，例如长效抗菌防霉剂、硅藻土高效利用的生态环保涂料、电磁波吸收建筑材料、相变材料的生产等都实现了产业化，也得到了许多厂家的认可。“我们也希望凭借这方面的经验与优势，争取将催化材料更大规模地应用到建材领域，努力将我们的基础研发成果真正转化为产业。”冀志江说。