相关知识介绍

关于大气中自由基产生及作用

  净化大气是人类赖于生存的必要条件之一,清洁的空气是由氮70.06%、氧20.95%、二氧化碳0.93%等气体组成的,这三种气体约占空气总重量99.94%,其他气体总和不到千分之一。大气有一定的自我净化能力,因自然过程等进入大气的污染物,由大气自我净化过程从大气移除,从而维持洁净大气。但是,随着工业及交通运输业的不断发展,大量的有害物质被排放到空气中,改变了空气的正常组成,使空气质量变坏。每天全球有数万吨废气排入到大气中,按照这个排放速度,大气早该难以让人生存了。虽然污染越来越严重,但是并没有达到让人 窒息的地步。
这是什么原因呢?原来,除了植物和雨水有洁净大气的功能外,大气本身也有超强的自我净化功能。经科学研究发现大气中某些化学物质可以与日光反应生成一种神秘的化学物质,它可净化大气中的烟雾。当这些物质吸收太阳光线的能量后,可以分解烟雾中的有机化合物,生成无害或毒性较小的物质。这种神秘的化学物质是氢氧自由基,它是由一个氧原子和一个氢原子组成的化学活性物质,氧化能力相当强。
大气中氢氧自由基也是在太阳光中紫外线的作用下,由氧气、水和其他多种物质反应生成。科学家已经把氢氧自由基分解有机污染物的化学反应抽象成化学模型,并借此研究大气到底能够承受多少有害物质的排放。科学家们对大气中氢氧自由基进一步研究告诉人们并不可以任意排放污染物,忽略大气所能承受的极限。污染依然威胁着地球大气,我们仍然没有脱离危险的边缘。

氢氧自由基是个怎么回事?

  只要有两个以上的原子组合在一起,它的外围电子就一定要配对,如果不配对,它们就要去寻找另一个电子,使自己变成稳定的物质。科学家们把这种有着不成对的电子的原子或分子叫做自由基。力量最强大的就是氢氧自由基。
氢氧自由基来源是自然界空气中的氧气和水分通过某些外界因素如:辐照,催化等产生的。 这个自由基是与氢原子结合的氧分子裂开,会和所有的化合物产生反应,它的活性很强处于极度不穏定,它必须去夺取其他物质的电子才能稳定。这个非常霸道的性质,是空气中氧的氧化能力一千倍,力大无比。

为什么要研究光催化?

  能源枯竭、环境污染已成为人类急需解决的两大难题,研究开发经济有效、不污染环境的能源成为全球性的战略目标。光催化技术作为太阳能的化学转化及储存以及在环境污染处理方面的应用正蓬勃发展起来。在众多半导体光催化剂(TiO2、WO、ZnS、Sn0 、SrTiO 、ZnO等)中,Ti02:以其化学稳定性高、耐光腐蚀且具有较大的禁带宽度(Eq=3.2 eV),氧化还原电位高,光催化反应驱动力大,光催化活性高且无毒、低成本等优点,已成为目前光催化研究领域中最活跃的方向之一。

二氧化钛光催化和氢氧自由基是什么关系?

  半导体具有特殊的电子结构,价带充满导带空闲和禁带较宽。作为半导体材料如TiO2、ZnO等,其能带是不连续的,价带和导带之间存在一个禁带,其禁带宽度(带隙能,E为数个电子伏特。当用光子能量大于或等于禁带宽度的光照射半导体材料时,其价电子被激发,越过禁带进入导带,同时在价带上形成相应的空穴,即产生所谓电子一空穴对。在光催化的过程中,空穴具有极强的获取电子的能力(Ti02 价带上空穴氧化还原电位为+2.7ev),能将水中的0H一和H20分子转化为氧化能力和反应活性极强的羟基自由基.0H,这些自由基都具有很强的化学活性,能与各种无机、有机污染物反应生成无毒无害的C0、H20和无机物等。

为什么二氧化钛光催化剂既能产生氢氧自由基,也会产生大量的负氧离子?

  在光催化的过程中,空穴极强的获取电子的能力使空气中的水和氧都产生活性变化,从而产生失去电子具有强大活性的氢氧自由基,也会产生因为获得电子的负氧离子,这两种活性物质如果没有外界干扰的情况下,会结合成稳定的的水和氧气放出热能,但是有外界物质干扰。如:有机物分子,细菌,尘埃等,氢氧自由基就马上把这些物质的电子夺过来而结合成稳定物质,(就是所谓的强氧化), 而多余的形成负电的氧原子因为电子斥力原因,而被弹到空中,形成负氧离子,这个过程反复而迅速的发生,根据布朗运动的原则,会产生大量的负氧 离子,从而使空气清新。这个过程只要有光照和水分氧气存在就每时每刻的发生着,按理论是永远。

二氧化钛光催化这么强大,为什么钛白粉没有这个效果呢?

  这个要从以下几点分析:
Ti02 纳米材料的很多应用都是和其光学性质紧密相连的。在整个光催化反应体系中,光催化活性的高低是确定光催化反应速率快慢的主要因素,TiO2 光催化活性主要受自身晶体结构、表面缺陷、催化剂投入量、污染物浓度、反应温度、溶液pH值、光源和光强度、污染物浓度等因素的影响。
1)晶型的影响
TiO2 有三种晶型:锐钛型、金红石型和板钛型.板钛型结构不稳定,在光催化中很少使用。金红石型纳米TiO2耐热性、热稳定性、化学稳定性均优于锐钛型纳米TiO2 被广泛应用于涂料、油漆、化妆品、塑料等领域。而用作光催化材料时,锐钛型纳米TiO2的光催化活性则明显高于金红石型纳米TiO2 在环境污染治理领域显示了广阔的应用前景。目前钛白粉大多为金红石晶型,锐钛型的很少,光催化效能很低。
2)晶粒大小的影响
TiO2 粒径越小,电子与空穴复合的几率越小,有利于提高TiO2 的催化活性。晶粒减小到纳米尺寸(1-100 nm)时,能产生量子尺寸效应,导致禁带变宽,从而具有更强的氧化.还原能力,催化活性也随尺寸量子化程度的提高而几何程度增加。同时,量子化的粒子更容易让分离的电子一空穴对扩散到表面,减少体相内的复合几率,有利于提高光催化反应效率。 目前市场上好多所谓纳米二氧化钛的光触媒,大都不是纳米材料,这个见以后问题。比表面积效应:根据表面积原理,同样重量的物体,颗粒越小,表面积就越大,如果到了纳米尺度,表面积大的惊人,例如一个立方厘米的物体,被分成10个纳米的颗粒,那他的表面积就达到700多平方米,这是多么惊人的数字呀,靠如此大的表面积可以做很多事情了。
此外,随着尺寸量子化程度的提高,禁带变宽,吸收谱线蓝移,将导致TiO2光敏化程度变弱,对光能的利用率也降低,因此,在实际过程中要选择一个合适的粒径范围。
3)pH值的影响
pH值对光催化的影响主要是通过影响催化剂表面特性、表面吸附和化合物的存在形态来作用,不同有机物的光催化降解有其不同的最适pH值。HeatherMcolema对17 _1Destradiol的研究表明,pH=7时,TiO2 光催化降解速率非常高,而当pH>10时,降解速率又迅速增加,原因是pH=7时 是10estradiol本身的pH值,而pH>10时,0H迅速增加所致。在酸性条件下降解有机物的性能变差。但是酸性和碱性都限制了二氧化钛的使用范围,所以光催化剂要找PH值接近中性的为最好。

    市场产品鉴别

先从粉体说明

  粉体为宏观物质,如果叫纳米材料很牵强,也许电镜上能看到纳米结构,但是实际上是纳米材料的二聚体和三聚体等。相当于把面粉烙成饼了,如果把面粉比喻成纳米材料,饼就是它的二聚体和三聚体,如果有人拿着面粉的照片,送给你的是饼,且说有纳米效应,你说呢?如果这种粉体在水中不能分散还是宏观的沉淀,这肯定不是纳米材料。
如果有人扛着麻袋找你卖纳米材料,你就要笑了,纳米有多大呢?pm2.5现在炒的很热,就是在空气中悬浮的可粒,粒径小于2.5微米,而纳米比微米小一千倍,你说麻袋里装的是什么呢?
顺便纠正一下国内普遍存在的错误理解,即纳米级存在的颗粒是肉眼可见,手可以摸得着的,可以用麻袋装的粉末。其实,一般香烟冒出来的烟雾,大约在300多纳米这个尺寸级别。对二氧化钛这样的金属氧化物类材料而言,100纳米以下才属于纳米级。那么可想而知,真正到了纳米级的二氧化钛,根本是无法以粉末形态固定呆在一个地方的,单单靠空气中气体的分子热运动已经足以让它飘散到空气中。而且,由于真正的纳米级颗粒表面势能巨大,一不小心巨大的表面势能累加起来一次释放出来,就是剧烈的爆炸。真正以纳米形态存在的固体粉末,必须是存放在完全真空的密封防爆铝罐中的,要取出还需要专门的提取设备。全球第一大纳米氧化钛催化材料制造商日本ISK石原的纳米材料工厂专门设在日本三重县的海岸线边上,所有建筑沿着海岸线一溜排开,每栋建筑间距不低于500米,且全厂区没有高于5层的楼房,就是为了防爆考虑的。所以明白了以麻袋粉末状销售的或糊状的纳米二氧化钛产品是什么了吧。纳米材料以液相的存放方式最多见。

什么才是纳米材料呢?

  国际上一般规定粒径低于100纳米大于1纳米,有纳米效应的材料归为纳米材料。

看颜色区分粒径大小,方法简单实效。

  1)纳米材料对光的散射有特殊的规律可循,注意是散射不是宏观光学的反射。 一般规律为:粒径小于6个纳米微无色的透明液体,6个纳米到15个纳米左右为淡黄色,15-25纳米为亮黄色,25-35为橙红色,35-50为酒红色,50-100为黑褐色,大于100为材料对光的本来散射光谱为主,比如二氧化钛为白色,金属为黑色等。
这个散射规律也是比较复杂的,比如飞机隐形也是靠对光的散射原理。
2)在有就是单分散性:什么叫单分散性,单分散就是指纳米颗粒大小的一致性,大小越均匀就是单分散性越好,反之就越差,这个通过宏观如何观察呢?也简单,也是用光的散射原理看,溶液越透明也就是单分散性越好,越浑浊就是单分散性越差,这个是技术范畴,谁的技术好,做出来的单分散性就越好越透明。不在这深入讨论了。
所以市面上看到的白色的,粒径超过100纳米了,会让你工作事倍功半,用的多效果差。

单位面积多少二氧化钛才能够更有效的工作?

  二氧化钛作为光催化剂凭心而论效果不是很强大的(再强的就有腐蚀作用了),所以大家用光触媒就要靠人多力量大,蚂蚁也要啃死大象这种精神做空气治理,不然真的没办法了。怎么个靠量取胜,就是靠喷涂面积来决定,喷的面积越大,起作用的越好,但是一个房间的面积固定的,不能随意增加喷涂面积,那就要靠光触媒的有效含量来决定,有效含量越高,效果越好,打个比方:单位面积上,有效含量越高,等于干活的人越多,效率越高。如何达到单位面积让人干活的最多呢,这个数学家给我做了计算:如果你的纳米材料粒径是10个纳米,一平方厘米的理论平面需要400万个纳米粒子能铺满,换算成含量是10纳米的光触媒含量至少0.3%才能做到,(粒径越大表面积越小需要的含量越高,和粒径成正比),这个含量就能满足要求,所以好多人做到0.5%含量,认为够了,但是这个含量在中国面对高浓度的污染源,无能为力,因此好多人认为光触媒不管用不好用就是这个道理。为了解决这个问题科学家研究如何大量增加单位面积干活的人,通过显微镜和电镜观察墙的表面,发现表面不是理论上平面,而是不平整的有凸凹和空洞的,科学家恍然大悟我们要向立体空间要效率,这就给科学家提供了立体发展的动力,经过测算,单位面积墙体的表面积为理论上平面的面积的10倍以上,为了能铺满立体空间浓度需要10纳米光触媒含量要增加10倍,才能达到要求才能满负荷工作。这就给光触媒研发人员提出了新的课题,增加二氧化钛的浓度,但是目前的技术达不到这么高的浓度,只有少数几个国家几种产品能达到这个浓度而不沉淀。目前国内大部分光触媒含量为0.5%。我们产品已经能达到3%以上。

如何检验光催化二氧化钛的光催化效率呢?

  其实检验方法很多,但大多数不是一般用户能直管了解和操作的,光催化剂一般以液体存放,所以检验液体的光催化效果就能区分光触媒的好坏,下面介绍几种方法:
亚甲基蓝褪色法

这是亚甲基蓝分子式,褪色原理很复杂,不是把苯环打开,从而不显示蓝色就行了,这就不做讨论了,这个实验漫长又不容易观察现象,原料还不好取得,更难的是光催化还不能让亚甲基蓝褪色快了,某些国家杂化的二氧化钛氧化能力很强,能让亚甲基蓝较快褪色。但是副作用很大,不在这讨论了。
第二种是用医药商店容易买到的碘酊(不是聚维酮碘,那是高分子)褪色,这个原理比较简单,褪色容易,容易鉴别光触媒催化效果。市售的碘酊为常用消炎抗菌剂各个药店有售,成分为碘的醇水(有碘化钾 增溶)溶液,颜色棕褐色,含碘约2%,氧化原理简单,把碘单质直接氧化成正5价的高碘酸溶液,碘酸溶液是无色的,从而使碘酊褪色。反应过程如下:
分子式:10.OH + I2 = 2HIO3 +4 H2O
如果大家鉴别光触媒的好坏,可以通过对比法测得:找几个小玻璃酒杯,分别装上同样质量的不同品牌的光触媒,再找一个放上同质量的水做参照。放于有光线的地方(室内),用滴管向不同杯子里滴入同样滴数的碘酊(4-10滴),观察褪色速度,来参照光触媒的催化效率,褪色越快,代表催化效率越高。重复上面实验,重复次数越多,代表光触媒催化时间越长,越持久。

用简单的方法鉴别市售光触媒优劣和真假

  市面充斥的大量的光触媒产品,鱼龙混杂良莠不齐,如何让大家买到放心的光触媒呢?大家可以在家做几个小实验也鉴别光触媒的好坏和真假,用高中的化学知识就可以达到目的。
一、碘酊鉴别法
碘酊为常用消炎抗菌剂,各个药店有售,成分为碘的醇水(有碘化钾增溶)溶液,颜色棕褐色,含碘量约2%,氧化原理简单,氢氧自由基直接把碘单质氧化成碘酸溶液,碘酸溶液是无色的,从而使碘酊褪色。分子式反应如下:
10·0H + I2 = 2HIO3 +4H2O
实验准备:光触媒20ml,碘酊一瓶,小酒杯2 个(1 钱左右或小玻璃杯),中号注射针管一只,滴管2 只,手机或计时器等。
实验1:鉴别光触媒对碘酊褪色效率
把2 只小酒杯放置在光线明亮的室内,把光触媒用注射针管(或清洗后重复使用)吸入20-30ml,分别注入2 只小酒杯,观察酒杯内液体的颜色并做好记录。
然后用滴管吸入碘酊溶液,滴入1-2ml)到其中一只酒杯内,另一只酒杯做空白对照,并用计时器计时碘酊褪色时间,做好记录。等酒杯内液体恢复到另一只酒杯内液体颜色时,重复2-3 次上面实验过程,并记录褪色时间。对比不同光触媒对碘酊褪色效率。观察褪色速度,来参照光触媒的催化效率,褪色越快,代表催化效率越高。重复上面实验,重复次数越多,代表光触媒催化时间越长,越持久。
实验2:鉴别真假光触媒的方法
目前有的所谓光触媒是用某些有强氧化性质的氧化剂,而不是光催化的光触媒,有时通 过外观很难鉴别。以下实验来鉴别你的产品是否光触媒。以上酒杯溶液在做完实验1 后,不要倒掉,还是原样放置在光线明亮的地方。还是第一只酒杯内加入大量碘酊,一般是加入3-10ml 碘酊,原则是20 秒内颜色无变化(显示碘酊棕色)。然后计时,观察颜色和空白对照酒杯的液体颜色变化, 如果在明亮的地方过一段时间颜色变浅,或褪色,那应该是光触媒。如果颜色无变化还是棕色,放置24 小时颜色还是无变化,那就不应该是光触媒。 原理:光触媒是一种催化剂,而不是像强化剂一样参与反应。加入过量碘酊,把溶液里的氢氧自由基(光触媒),或氧化剂(假光触媒)充分反应完全(碘酊颜色)。如果是光触媒,在有光照的情况下,就继续产生氢氧自由基,继续氧化碘酊,从而使碘酊逐步褪色,最后能完全褪色到加入到碘酊前的颜色。如果是氧化剂,氧化剂反应完全后,没有反应物了,碘酊的碘不再被氧化成高价离子,那碘酊不再褪色了。以此鉴别光触媒和氧化剂,从而能解释为什么光触媒是长效有用的,而氧化剂是短效的,不能长期发挥作用。
注意:1、碘酊在水里有紫外线照射下,也容易被氧化,一般是24 小时左右,所以实验数据是在一天内最好。
2、碘酊和聚维酮碘不是一样东西,不要搞错了。
二、PH 值试纸法
这个方法不是鉴别光触媒好坏的,而是鉴别光触媒对家内墙面、家具、皮革、金属等物质的损伤程度。
众所周知,酸性物质对金属,碱性物质都有伤害,酸性越强伤害越大。目前家里的金属容是易鉴别的,但是对镀铬件那也是金属好多人不太熟。不知在北方的朋友碰到过没有,如果下雪不及时擦掉车外面镀铬件的积雪,等下次洗车就会看到镀铬件被腐蚀的很多小暗点,这就是酸雨造成的。所以酸性对金属腐蚀比较大。
室内墙漆主要为弱碱性物质构成,如果加入酸性比较强的物质附着在其表面,可能会破坏乳胶漆的分子结构,导致失去足够的表面张力,无法构成漆膜,容易产生细小裂纹。
所以光触媒最好为中性的,酸性碱性都会对人体产生伤害,这个实验可以通过PH 值试纸来做测定。一般人体接受的PH 值范围 5—9 之间,在这个范围之外容易对人产生伤害。 去化工试剂商店去买一片PH 试纸做测试,这也是家用常用测试工具之一。

光子空气净化技术

  • 技术背景
  •   光子空气净化剂是指可通过吸收光而处于更高的能量状态,并将能量传递给反应物而使其发生化学反应的一类物质(如下图所示)。可用来作为光催化剂的化合物有TiO2,ZnO,Nb2O5,WO3,SnO2,ZrO2等氧化物及CdS,ZnS等硫化物,其中二氧化钛具有强大的氧化还原能力,具有抗化学和光腐蚀、性能稳定无毒、催化活性高、稳定性好以及抗氧化能力强等优点而倍受青睐。当有光照射二氧化钛表面时,产生电子e-和空穴h+使周围的氧气及水分子激发成极具活性的·OH 及·O2- 自由离子基。羟基自由基·OH 及·O2-自由基的氧化能都在120kcal/mol以上。一般有机物的化学键能(见下表)小于该能量值,可以简单的把表中的键切断分解。因此,可以将空气中的恶臭物质分解或无害处理。二氧化钛被认为是21世纪最具开发前途的绿色环保光催化剂。
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