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(xié)年會閉幕式上，中國科協(xié)副主席、國際宇航科學(xué)院院士李洪對外發(fā)布由中國科協(xié)組織征集遴選的60個重大科學(xué)問題和重大工程技術(shù)難題，涉及公共安全、空天科技、信息科技、醫(yī)學(xué)健康等12個領(lǐng)域。李洪說：“這些(問題)代表了我國科技領(lǐng)域真正的‘硬骨頭’”。
中國建筑材料科學(xué)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(xué)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(xué)問題、技術(shù)難度點在哪?筆者就此進(jìn)行了深入了解。
關(guān)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(shù)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(yīng)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(qū)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(fā)生轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)分解為無污染的無害物，達(dá)到降解作用，也不存在吸附飽和問題，如果材料穩(wěn)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(guān)乎國計民生的大事。
目前，室內(nèi)污染是人類健康的一大殺手。據(jù)流行病學(xué)統(tǒng)計，在我國，白血病的自然發(fā)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(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為，除了家族遺傳，環(huán)境污染應(yīng)是兒童白血病的重要誘因。
家庭裝修會帶來室內(nèi)環(huán)境污染。資料表明，居室中常見的有害物質(zhì)，僅美國環(huán)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(nèi)涂裝材料，能有效降解室內(nèi)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(zhuǎn)換為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，用于發(fā)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子被激發(fā)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(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)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(xué)與新型建筑材料研究院環(huán)境材料科學(xué)與工程研究所所長、博士生導(dǎo)師冀志江教授舉例說，偶氮芳香染料如甲基橙和亞甲基藍(lán)，是造紙、皮革、化妝品、藥品和其他工業(yè)中最主要的有毒污染物和合成染料。直接排放未經(jīng)處理的染料會毒害水生生物，并間接影響人類健康。
基礎(chǔ)研究存在三大瓶頸
然而，目前國內(nèi)外對“高活性可見光催化材料”的認(rèn)識多局限于基礎(chǔ)研究。真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的研究成果還比較少，現(xiàn)已成為全人類面臨的一個急需解決的重大科學(xué)難題。目前國內(nèi)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(biāo)之一。光催化效率高就能短時間內(nèi)將有機污染物完全降解，及時有效地緩解環(huán)境污染問題。同時高效率的催化劑可用較少的量發(fā)揮更大的凈化作用。
二是實現(xiàn)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(rèn)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(yīng)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(nèi)空氣污染問題就迎刃而解。
三是難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。實驗室研究可以不考慮成本、能耗、環(huán)保、穩(wěn)定性等問題，進(jìn)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(chǎn)過程中，制備條件并不能像實驗室條件可控以及穩(wěn)定，存在很多不可控的因素，因此開發(fā)一種可行的、穩(wěn)定的制備方法是實現(xiàn)光催化劑工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問題所在。同時工業(yè)化生產(chǎn)中還要考慮成本、能耗、環(huán)保、產(chǎn)率、技術(shù)可操作性、穩(wěn)定性等問題，進(jìn)行了一百次工業(yè)化生產(chǎn)，如果有一次不成功那就是百分之一不合格。
“通過化學(xué)改性的手段，在TiO2結(jié)構(gòu)中引入金屬、非金屬來提高其可見光活性，還可開發(fā)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(dǎo)體材料，在可見光下可高效降解有機污染物。C3N4與TiO2復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)也是一種策略，既能實現(xiàn)可見光響應(yīng)，又能改善催化效率。當(dāng)然還有TiO2與石墨烯、碳量子點、鉍系材料復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)催化劑。”冀志江說，“在工業(yè)化中真正實現(xiàn)效果顯著、能夠解決問題的可見光目標(biāo)還未達(dá)到。”
雖然目前我國在基礎(chǔ)研究上做了大量工作，一直推進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)，但實驗室和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用間還是有一定差距。
“例如，目前大家比較認(rèn)可的明星光催化材料是德固賽P25，不管是在基礎(chǔ)研究還是工業(yè)化生產(chǎn)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(biāo)桿，它具有穩(wěn)定的光催化凈化能力，也實現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。”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(yīng)，很難從水相中回收出固體催化劑，即使按照現(xiàn)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(yè)應(yīng)用之間的鴻溝。”
正推進(jìn)大工業(yè)級生產(chǎn)和應(yīng)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(yīng)和團聚分離方面，中國建材總院已取得顯著進(jìn)展。
“一方面，采用礦物負(fù)載技術(shù)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(fù)合催化材料具有優(yōu)異的可見光凈化性能。另一方面，通過調(diào)節(jié)TiO2的形貌或晶面，改善TiO2自身的催化性能。”冀志江說，“在基礎(chǔ)研發(fā)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(yōu)化，從設(shè)備選型、生產(chǎn)環(huán)境影響、廢氣廢水處理及循環(huán)利用、經(jīng)濟效益等角度，對兩種制備工藝進(jìn)行了全面的可行性分析，目前在中試化生產(chǎn)階段，已建成一條中試生產(chǎn)線，材料已經(jīng)在涂裝材料中應(yīng)用，在這方面我們已有顯著進(jìn)展。”
他同時提到，目前中國建材總院制備的TiO2/礦物復(fù)合催化材料具有易于固液分離的優(yōu)勢，解決了回收問題，但在大工業(yè)級生產(chǎn)和應(yīng)用過程中是否還存在其他難以解決的問題，有待進(jìn)一步研究和實踐驗證。
在環(huán)境功能建材的研發(fā)和生產(chǎn)方面，中國建材總院有著很多的經(jīng)驗，例如長效抗菌防霉劑、硅藻土高效利用的生態(tài)環(huán)保涂料、電磁波吸收建筑材料、相變材料的生產(chǎn)等都實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，也得到了許多廠家的認(rèn)可。“我們也希望憑借這方面的經(jīng)驗與優(yōu)勢，爭取將催化材料更大規(guī)模地應(yīng)用到建材領(lǐng)域，努力將我們的基礎(chǔ)研發(fā)成果真正轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)。”冀志江說。
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