光催化测试技术与标准化浅析

点击：2115时间：2010-02-07 14:22:47　来源: 创始人

光催化测试技术与标准化浅析

郑苏江

中国科学院理化技术研究所

自1972年日本的本多建一和藤岛昭发现二氧化钛单晶电极在光照情况下分解水的现象，称为“本多一藤岛效应”，由此拉开了光催化材料的研究序幕。此后，科学家进行了大量的研究，经过近30多年的努力，光催化材料的应用研究已经取得了突破性进展，特别是近年来，光催化材料的防污、抗菌、脱臭、空气净化、水处理以及环境污染治理等方面已经开始得到了广泛应用，并已形成了相当规模的产业。

在产业兴旺发展的同时，如何评价光催化性能称为摆在各国光催化工作者面前的难题。二氧化钛为主的光催化材料的主要性能包括抗菌、空气净化、自清洁和水体净化等，这里分别讨论一下。

1、抗菌性能

光催化材料必须在光照条件下才能具有抗菌性能；光照条件一般必须满足高于二氧化钛的禁带能级3.2eV，约合388nm紫外线的能量，所以结合到工业化生产的紫外灯情况，目前的紫外响应的光催化材料一般选用主波长为365nm的紫外灯照射。由于紫外线有一定的杀菌作用，结合到表1所示各场所的代表光强，抗菌选用的光照强度不高于0.1mV，这个光强基本上对菌的杀伤作用较小。

表1各场所的代表光强（365nm波段）

参考相关的抗菌测试方法，菌种选择革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的代表——金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。光照作用的时间按照普通民用产品的要求，照射18～24h后洗脱，计数。

目前国内的光催化产品杂化、掺杂的较多，在没有光照的条件下，也具有一定的抗菌作用，所以在评价的时候需要增加暗条件（无光照）的对比试验，以明暗条件的抗菌率之差来表征光催化对抗菌的贡献值。即光照条件下得到的是总抗菌率，暗条件得到的非光催化抗菌率，二者的差值才是光催化的抗菌贡献。

需要指出的是，室内的光线分布上365nm的紫外线所占比例较小，所以光催化材料和产品的发展方向是可见光响应的光催化，可以通过杂化晶型，提高感光效率来实现红移，这样可以大大减少对紫外光的依赖。在2008年10月8日东京开幕的光催化产品国际展览会上，出现了部分可见光响应的产品。这部分产品的测试，可以参考紫外光响应的产品，采用日光灯作为测试光源即可。

2、空气净化

光催化材料是强催化氧化作用可以将空气中的有害气体如甲醛、苯、二氧化硫、一氧化氮等氧化成无害的二氧化碳和水，非常适合用于室内空气治理。净化功能的评价是用光催化材料在特定条件下对标志物的催化去除效率来衡量。基本原理是采用固定浓度的反应标志物和光催化材料反应，测度反应后的氧化产物——二氧化碳的生成量和标专物的去除率来表征净化效率。

测试标准化要求采用的标志物性质稳定、毒性较低、易于测量，甲醛在紫外的照射下容易发生聚合，苯的毒性太大，因此选用毒性较低、性能较稳定的乙醛来作为标志物。

由于大多数的光催化空气净化材料的吸附能力较强，在测试前必须增加暗吸附步骤，达到饱和后，再开始光照条件下测试其分解能力。一般的，采用5mL/m³的乙醛与氧气组成混合气，暗吸附完成后，光照条件365nm，光强为lmW/cm²室温下每15min测试出口的乙醛和二氧化碳的浓度，直至乙醛浓度稳定即可结束测试。

3、自清洁

光催化材料在光照下产生的强氧化作用的同时，使自身的表面接触角大为下降，在降水等存在的条件下可以自保持清洁的性能，称为自清洁。测试的原理是采用标志物与自清洁材料接触，在光照催化下，随着标志物的降解，材料表面接触角也随之下降，以其能达到了最小接触角来表征自清洁性能。

与空气净化相类似，标志物的选择是关键之一。选择常用的污物模拟物——油酸。

将定量油酸均匀涂抹于自清洁材料表面，在室温下，开启365nm紫外灯照射，光强为lmW/cm²,每隔一段时间（一般2h、4h、24h等）测试，直至接触角不再变化，光照时间最长不超过168h。

若在测试时接触角达到5^O以下，则可以提前终止试验。

4、水体净化

光催化材料的强氧化性能也可用于水体净化方面。水中的污染物较多，与空气测试类似，也需要采用标志物来模似。一般的采用性能稳定的亚甲基兰来测试。

考虑在lmW/cm²的紫外光照下，亚甲基兰溶液的光化学反应和在暗条件下光催化材料的吸咐反应；这些影响需要在结果里扣除，然后测试一定反应时间（一般是2h）后的亚甲基兰浓度，以反应前后亚甲基兰浓度变化来表征其净化能力。