“吃掉”有机污染物 “消化”成无污染物

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在中国科协第20届年会闭幕式上，中国科协副主席、国际宇航科学院院士李红发布了中国科协评选的60个重大科学问题和重大工程技术问题，涉及公共安全、空日科技、信息技术和医学等12个领域。李红说:“这些问题代表了中国科学技术领域真正的‘硬骨头’。”。

中国建筑材料研究院有限公司(以下简称中国建筑材料研究院)提出的高活性可见光光催化材料已被列为60大科学问题之一。

什么样的材料是高活性可见光催化材料，你为什么研究它，研究这种材料的科学问题和技术难点是什么？作者对此有着深刻的理解。

关系国计民生的重大事件

“高活性可见光光催化材料”是光催化技术的原理，它可以在可见光或led灯下捕捉有机污染物，通过氧化还原反应将有机物质完全分解为无污染的co2和水。这种材料明显不同于吸附型净化材料。

吸附型净化材料只将污染物吸附到吸附剂上。虽然污染物被转移，但它们不会分解。同时，材料饱和后不再吸附，对污染物也不再有净化作用。高活性可见光催化材料通过化学反应将污染物分解成无污染、无害的物质，实现降解，不存在吸附饱和的问题。如果物质稳定，它们总是会分解有机物质，达到永久净化的目的。

高活性可见光催化材料因其能有效去除污染物，已成为关系国计民生的大事。

目前，室内污染是人类健康的主要杀手。据流行病学统计，在中国，白血病的自然发病率约为10万分之四，每年新增白血病患者约4万人，其中40%为儿童。医学界普遍认为，除了家庭遗传，环境污染应该是儿童白血病的一个重要诱因。

家庭装修会带来室内环境污染。根据数据显示，客厅中常见的有害物质有189种，由美国环保署官方公布，其中甲醛、苯系物、氨、三氯乙烯和石棉是主要的有害物质。

如果将高活性可见光催化材料用于室内涂料中，可以有效降解室内有机污染物。

对于建筑物的外墙，高活性可见光催化材料也可以清洁和减轻空气污染。

它能将自然界存在的太阳能转化为化学反应所需的能量，用于催化，使周围的氧气和水分子被激发成具有强氧化性的羟基和氧自由基离子，不仅能起到净化作用，还能缓解空气污染，有效利用能源。

水是生命之源，是人类生存和发展最重要和不可缺少的物质之一。

“高活性可见光催化材料”也可用于水污染净化，可完全降解或无害化处理水中的有机物，包括液体染料和重金属。中国建筑材料研究院水泥科学与新建筑材料研究所环境材料科学与工程研究所所长、博士生导师季志江教授表示，甲基橙、亚甲基蓝等偶氮芳香染料是造纸、皮革、化妆品、医药等行业中最重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。

基础研究有三个瓶颈

然而，目前国内外对“高活性可见光催化材料”的理解大多局限于基础研究。实现工业应用的研究成果很少，工业应用已成为全人类迫切需要解决的科学问题。目前，国内外研究存在三大瓶颈:

首先，光催化效率需要提高。光催化效率是评价催化剂性能的重要指标之一。光催化效率高，能在短时间内完全降解有机污染物，并能及时有效地缓解环境污染问题。同时，高效催化剂能以较少的用量发挥更大的净化效果。

第二，可见光催化难以实现。一般的光催化材料在紫外光下活性高，但在可见光下活性低，如商业p25，被广泛认为是紫外光下高效的光催化剂，但紫外光仅占太阳光的5%左右，因此该催化剂光利用率低，太阳光下光催化效率低，这极大地限制了其应用。如果该催化材料在可见光下具有高活性，它可以在led灯下净化空气体污染物，从而解决室内空气体污染问题。

第三，很难实现工业化生产。实验室研究可以进行一百次，而不考虑成本、能耗、环境保护和稳定性问题，一旦成功，只能证明其可行性。在实际放大生产过程中，制备条件不如实验室条件可控稳定，存在许多不可控因素。因此，开发一种可行且稳定的制备方法是实现光催化剂工业化应用的关键。同时，工业生产中应考虑成本、能耗、环保、产量、技术可操作性、稳定性等问题。进行了100次工业生产，如果有一次不成功，就是100%不合格。

“通过化学改性，将金属和非金属引入二氧化钛结构中以提高其可见光活性，并且可以开发新的可见光光催化材料，例如氮化碳(c3n4)光催化材料。氮化碳是近年来出现的一种新型非金属半导体材料，能在可见光下高效降解有机污染物。将c3n4与tio2结合形成异质结也是一种策略，可以实现可见光响应，提高催化效率。当然，还有一种异质结催化剂，由tio2与石墨烯、碳点和铋材料结合而成。”齐志江说:“可见光目标已经取得了显著的成果，可以解决工业化中的问题，但尚未实现。”

尽管中国一直在基础研究方面做了大量的工作，促进了工业生产，但在实验室和工业应用方面仍有一定的差距。

“例如，目前，大家公认的明星光催化材料是德固赛p25。无论是在基础研究还是工业生产中，目前我们评价的是基于p25的催化剂的性能，它具有稳定的光催化净化性能。能力，也实现了大规模工业化生产。”同时，季志江指出p25在实际使用中仍有局限性。例如，就催化剂回收和再利用而言，p25催化剂应在水净化后回收。由于催化剂的纳米尺寸效应，很难从水相中回收固体催化剂。即使按照现有的工艺进行回收，也需要大量的成本和能量。"这是材料性能和工业应用之间的差距."

它正在促进大规模工业生产和应用

“十三五”期间，中国建筑材料研究院在制备高活性光催化材料方面取得了一些成果。中国建筑材料研究所在可见光响应和团聚分离方面取得了显著进展。

“一方面，利用矿物负载技术解决了纳米二氧化钛容易团聚的问题，提高了纳米催化剂的吸附能力。制备的二氧化钛/矿物复合催化材料具有优异的可见光净化性能。另一方面，通过调整tio2的形态或晶面，tio2本身的催化性能得到改善。季志江说:“在基础研究和开发过程中，中国建筑材料研究院分别研究了水解沉淀法和溶剂热法两种制备工艺及其性能优化。从设备选择、生产环境影响、废气和废水处理及回收利用、经济效益等角度出发。对两种制备工艺进行了全面的可行性分析。目前，在中试生产阶段，已建成中试生产线，材料已应用于涂料。我们在这方面取得了显著进展。”

同时，他提到中国建筑材料研究院制备的tio2/矿物复合催化材料具有固液分离容易的优点，解决了循环利用的问题，但在大规模工业化生产和应用过程中是否还有其他难以解决的问题需要进一步研究和实践验证。

在环保功能性建筑材料的研发和生产方面，中国建筑材料研究所积累了丰富的经验，如长效抗菌防霉剂、高效利用硅藻土的环保涂料、电磁波吸收建筑材料、相变材料等。已经被工业化并被许多制造商认可。“我们也希望，凭借我们在这一领域的经验和优势，我们将努力把催化材料更大规模地应用于建筑材料领域，努力把我们的基础研究和开发成果真正转化为产业。”纪之江说。(王静)

编辑:计然