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光触媒纳米材料浅析

(2014-03-12 13:57:59)
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氧化锌纳米材料

光触媒纳米材料

除醛净味光触媒

光触媒厂家

优质光触媒

分类: 光触媒纳米材料

光触媒常见问题解析

  在商业炒作之下,光触媒被严重误解了,一些手工作坊式的理论充斥在网上,这些错误的观念干扰了消费者的判断力和学术氛围。一些人把“光触媒”和“光触媒产品”混为一谈,让消费者产生了迷惑,弄不清除到底光触媒是什么。这里针这些流传有误的观点做个分析,希望对环保行业的工作者有所帮助。 

   首先,我们先普及一下光触媒的化学知识。什么是光触媒,光触媒有多少种,主要有哪些用途。 “触媒”在化学上称之为催化剂,光触媒就是光催化剂的意思,也就是说自然界中有一类物质在光照之下会起到催化作用,促使其他物质之间的化学反应得以进行。但是,作为催化剂本身并不参与化学反应,只是为其它物质之间的化学反应营造了一个反应条件。另外,这些化学反应的发生仅有催化剂还不够,还需要温度、相互接触等其它一些条件才能进行。光触媒是一类化学工业广泛使用的原材料,种类繁多,其中包括氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2),硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体,他们一般是呈现粉末状固体。    纳米二氧化钛(TiO2)是一种半导体,分别具有锐钛矿(Anatase),金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构,其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。在化妆品、涂料、室内环保、食品添加剂等领域一般作为调色剂、物理防晒剂、光催化剂等使用。最显着的特点,二氧化钛是地球上白度最高的物质。纳米二氧化钛平均粒经10nm左右时,具有十分宝贵的光学性质。由于它的透明性和防紫外线能力高度统一,在防晒护肤、轿车面漆、高档涂料、油墨、塑料、精细陶瓷等方面获得了广泛的应用。    纳米氧化锌(ZnO)粒径介于1-100 nm之间,是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品,表现出许多特殊的性质,如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等,利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能,可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。 在橡胶、陶瓷、纺织、印染、国防工业领域具有广泛的应用。    纳米氧化锡(SnO2)是白色、淡黄色或淡灰色四方、六方或斜方晶系粉末,用于搪瓷和电磁材料,并用于制造乳白玻璃、锡盐、瓷着色剂、织物媒染剂和增重剂、钢和玻璃的磨光剂等。    纳米二氧化锆(ZrO2)呈高纯度白色粉末状,无臭、无味。低温时为单斜晶系,高温时为四方晶型。在1100℃以上形成四方晶体,在1900℃以上形成立方晶体。能溶于硫酸、氢氟酸、热的盐酸和硝酸中,也能溶于熔融的硫酸氢钾。相对密度ds=5.85,熔点2680℃,沸点4300℃。具有高的折射率(折射率2.2)和耐高温性。有良好的热化学稳定性、高温导电性和较高的高温强度和韧性,具有良好的机械、热学、电学、光学性质。其中HT-ZrO-01为单斜晶型,HT-ZrO-02为四方晶型。纳米氧化锆颗粒尺寸微小、是很稳定的氧化物,具有耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐高温的性能,可用于功能陶瓷和结构陶瓷,以及宝石材料。    纳米硫化镉(CdS)黄色或微黄色,广泛用于太阳能电池,半导体材料,可见光波段光电器件,自动照相机控制照度计,光导鼓,激光调制池,可见光探测器,激光窗口材料,红外双色探测器,光致发光,电致发光,阴级射线发光材料和颜料等的制造。    一些商业炒作,使光触媒在消费者心目当中出现了概念混淆,以下我们请专家针这些流传有误的观点做个分析解答,希望这些疑惑能够被澄清。

【错误观点一】:光触媒就是纳米二氧化钛,纳米二氧化钛就是光触媒?    

【解答】:光触媒是一种化工原材料,种类繁多,包括氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2),硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体,他们一般是呈现粉末状固体。纳米二氧化钛,如果平均粒径在50-10纳米左右,具有较好的光催化作用。纳米二氧化钛是光触媒的一种,也是最常用的一种,但是不能说光触媒就是纳米二氧化钛,它们的概念是包含的关系。另外,我们在化妆品防晒油中经常使用的纳米二氧化钛是化妆品级的,平均粒径在30纳米左右,不具有光活性,主要是起到阻挡紫外线的作用。    光触媒产品则是指包含某一种或多种光触媒原料的产品,是一种复合的配方。如果把光触媒原料直接倒在水里就称之为光触媒产品,那么,市面上的光触媒产品质量完全可以一样,事实上并非如此。光触媒产品的制造过程中,制造纳米原材料只是工艺过程中的重要步骤之一。新制备的纳米材料,如果不能和后续的生产工艺有效结合,那么可能会发生团聚,若想再次分散开来将是一件很难的,这和整个生产工艺的设计密不可分。防止团聚的工艺方法各个企业不尽相同,有的采用硅烷化处理纳米颗粒表面,有的采用分散剂稳定胶体乳液,也有的采用超声波等技术。随着科技的进步,新的生产工艺也在不断探索之中。

    

【错误观点二】:看光触媒是否分层,用离心机旋转10分钟,若出现分层的光触媒一定含有分散剂,未出现分层的光触媒不含分散剂。优质光触媒不含分散剂?    

【解答】:首先,这里错误的将光触媒与光触媒产品混为一谈。光触媒有很多种,包括氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2),硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体,他们一般是呈现粉末状固体,优质的纳米粒径非常小,粒径在10纳米以下的光活性高。纳米二氧化钛因其价格低、性质稳定,所以比较常用,好的原料平均粒径应该在7纳米上下,分布范围窄。也有采用其它光触媒原料制造“光触媒产品”的技术,性能与其复合配方中物质的相互作用有关,属于各企业的核心机密,在一些专业论文中,我们或许有机会能了解到一些。    第二,“光触媒类产品”是否分层,是否采用分散剂,取决于该产品的设计思想。分散剂的选择也有极多的品类,在不同的应用环境下,也应该选择不同的分散剂。例如,水性、油性之分,酸性、碱性之分,不同环境下显然应该采用不同的分散剂。分散剂是一种助剂,当然要选择对产品性能没有干扰的品类,如果选错了会影响产品性能,但是现代科研环境下一般不会犯这样低级错误。另外,如果不加分散剂,也不能就说质量好。比如,大多数名牌化妆品种,都含有分散剂,产品质量好坏不能说是由一种助剂决定的。很多优质光触媒产品在制造过程中也可能会使用分散剂,实验室测定结果,正确使用分散剂对产品稳定性有帮助。其原理很简单,纳米材料分散在水性或油性液体里面,并不是食盐溶解在水中的那种真溶液,而是一种“胶体乳液”状态。胶体在盐离子的作用下,会发生胶体的凝聚,这是胶体本身的基本特性。阻止胶体凝聚有两种方法,一种是对纳米粒子表面进行硅烷化处理,另一种是加入分散剂,当然两种方法也可以结合使用。总之,不阻止胶体凝聚,光触媒产品稳定性就不好,凝聚的纳米颗粒不再具有良好的光催化效果。

【错误观点三】:盛少量光触媒到坩埚,用酒精灯进行充分加热,若残留物呈黑色灰烬状,则含黏结剂,否则无黏结剂。优质光触媒不含黏结剂?    

【解答】:这种方法并不见得可以鉴定黏结剂的存在,如果有残余黑色物质,也可能是“光触媒产品”复合配方中某种原材料,这个观点还是偷换了“光触媒”和“光触媒产品”的概念。我们不知道每个光触媒产品的配方组成和制造工艺,所以,无法断定这些残余物质是什么,在方剂中是做什么用的。若想加以分析,应该到专业的科研机构,采用液相色谱、气象色谱、原子吸收、扫描电镜等现代实验室分析检验技术,或许可以进行配方逆向分析,其结果可能与胶粘剂的预测大相径庭。

    

【错误观点四】:看是否有气味?如果打开光触媒包装的瓶盖,有酒精味、树脂味、或其它有机物气味,则为劣质光触媒。优质光触媒为无味的水溶液?    

【解答】:在自然界中,纳米二氧化钛光触媒原料肯定是没有气味的,但是光触媒产品有没有气味就不一定了。如果是简单的把纳米二氧化钛放在水里,搅拌一下,也肯定是没有气味的,但是这并不是“光触媒产品”,这样的技术还能称之为产品制造。    那么,“光触媒产品”制剂是否有气味呢,那要看该厂家产品的配方组成,国家没用相关标准做这方面限制。假如有的话,我相信各个生产厂家也可以做到,无非是不采用有气味的辅助原材料罢了。所以说,有没有什么气味只能定论为不同厂家产品之间的一个差别,并不是鉴定产品好坏的依据。   

【错误观点五】:光触媒是否呈现中性?测酸碱度 PH 值,若光触媒 PH 值在 以下或者大于 ,腐蚀作用明显,可能使墙面或家具、织物表面变色。优质的光触媒产品是中性的, PH 值接近,一般 6-9 之内也可以,不会对物体产生腐蚀作用。    

【解答】:还是混淆“光触媒”原料和“光触媒产品”的概念。光触媒纳米颗粒本身大多是中性的,但也有为了特定环境下使用的需要,对其颗粒表面进行硅烷化处理,使其呈现不同的PH值特性。不但如此,有些还要做成亲油性表面,有些要做成亲水性表面,例如,防晒油中的纳米二氧化钛颗粒,大多做成亲油性表面。    另外,中性溶液不会腐蚀物体,这个观点也没有科学依据。我们都知道海水对船舶的腐蚀就很严重,腐蚀的发生取决于水中溶氧量、温度、盐类和电化学特性,属于电化学研究范畴。再比如,双氧水呈现中性的环境里也是无色透明,但是氧化性仍然可以严重腐蚀织物或者金属,我们洗衣常用的漂白水,大多也呈现中性,但是也具有很强的脱色作用。自然界中,物质结构纷繁复杂,科学界也在不断探索,简单以PH值做腐蚀定论是没有科学依据的。电化学是化学领域重要的分支学科,国家中科院设立腐蚀所等科研机构,有些科学家为此付出毕生精力,如果是PH值这么简单就不必了。    (注)双氧水在pH值为3.54.5时最稳定,在碱性溶液中极易分解,在遇强光,特别是短波射线照射时也能发生分解。当加热到 100℃以上时,开始急剧分解。

     

【错误观点六】:劣质光触媒在阳光的直射下几小时内变黑,这是因为二氧化钛在光照下会发生光催化反应,氧化了其溶液中的有机物成分。优质光触媒在光照下不会变色。    

【解答】:这是一个自相矛盾的论述。如果“光触媒产品”种采用了高活性,粒径小于10纳米的二氧化钛原料,那么它催化分解水中部分有机物是必然的,但是,是否呈现黑色就不一定了,或许还是白色或无色。假如以这个标准定论“光触媒产品”的优劣,那么采用低活性、大粒径的纳米二氧化钛,其降解有机物能力非常弱,那么,在光照之下该“劣质产品”也不会变“黑”,因为并没有发生催化反应,那我们能说这个产品好吗,显然不能。所以,这样看来不能光照变黑的产品,更可能根本就是冒充的。如果该配方的研制有意规避这个问题,纳米“劣质光触媒产品”也可以蒙混过关了。所以这个观点是自相矛盾的,一个错误的观念很可能会被不法分子所利用欺骗消费者。

【错误观点七】:劣质光触媒状态如糊状、较稠、有一定粘性。优质光触媒状态如水,基本没有粘性。    

【解答】:还是对“光触媒”原料和“光触媒产品”的概念加以混淆,纳米二氧化钛光触媒本身即不是粘的也不是稀的,是白色粉末状的。这里再次强调,光触媒有很多种,常用的纳米二氧化钛是固体粉末。各大企业制造出来的产品,因其配方和生产工艺不同,应用的领域和使用的方法也不尽相同,呈现什么状态取决于复合配方的构成。简单的说,把二氧化钛粉末简单加入水中搅拌一下,绝不会粘稠,但也绝不是可以拿来使用的产品。在光触媒产品中,一般来说,纳米二氧化钛仅仅是其中一种组分,是不是最主要的配方基础原料取决于各厂家的工艺和配方的设计思想,二氧化钛也不是万能催化剂,催化剂都是有一定适用范围的。    就光触媒产品性能来说,单纯水性的光触媒产品,其应用领域受到很大限制的。因为在油漆等憎水性物体表面,单纯水性乳液不具有分散性,与家具油漆表面产生相互排斥作用,不能形成很好的接触,只能用于亲水性的墙体表面等部位。如果要制造用途广泛的光触媒产品,我们需要在配方解决憎水表面分散性的问题,也可能最终状态已经不是水性状态了,或许是环保有机溶剂为载体的也未可知。科学的疆界尚未截止,它总是在不断推翻成见的过程中发展进步的。    

【错误观点八】:选择光触媒产品之前必须要求光触媒生产厂家出具权威检测机构的三份检测报告,即灭菌效果检测报告、有害物质降解效果检测报告和产品无毒试验报告,而且,三份报告均必须印有 CMA 标志(国家计量认证单位标志)。    

【解答】:权威机构的依据有其重要请,但是我们也不可迷信,要学会用科学的仪器和方法去分辨真伪。三鹿奶粉的产品质量认定书、某某鸡蛋的绿色品牌等等,证书一个都不会少,但是问题仍然存在,甚至很严重。全面质量管理是一个系统工程,不是取得一个证书好了。国家现在在涂料和光触媒产品制造领域,尚未有国家标准,目前,可执行的标准是轻工部GB/T2761-2006标准,光触媒产品也不在国家生产许可证管理目录范畴之内,各家所执行的标准都是自身的企业标准。所以,目前这些证书都是企业自身的行为,检测标准只能是参照其他行业的标准,是依据什么行业的标准取得的证书,这里有些讨论的空间。

    

【错误观点九】:常用的光触媒浓度为0.5-0.8%,有添加剂的光触媒可以达到3% 以上,但是有添加剂的光触媒表面会被添加剂部分覆盖,影响光催化性。若无添加剂,光触媒浓度达到1%时,性能已经非常优异。优质光触媒不含添加剂。    

【解答】:首先,纳米二氧化钛光触媒是固体粉末,不存在溶液浓度的问题,光触媒制成品才有浓度的问题,这个概念要分清。光触媒产品的浓度是说在在产品中包含多少纳米二氧化钛的意思。至于产品中,纳米二氧化钛加多加少取决于该产品的配方设计及实验,也取决于原材的产地和表面处理方法。各家生产的纳米二氧化钛每个批次都是有区别的,生产实践中当然要化验后根据指标使用,浓度值肯定是一个变数,是生产制造过程中的问题,不可以和最终产品浓度一概而论。    另外,从常理上说,有效物质浓度越高产品成本当然也越高。我们不能说有效物质少加了反倒比多加了效果好,但也不能定论说有效物质多加了就比少加好。所以,这个浓度的问题有蹊跷,也可能存在把缺点描绘成优点的销售技巧。有人会说,货真价实嘛,当然还是浓度大的好啊,我们也无从反驳,因为这符合常理。    

【错误观点十】:优质光触媒具有良好的附着力,喷涂凉干后即可形成一层牢固的薄膜,膜层是否牢固又影响到产品能否持久地发挥效力。一类劣质光触媒喷涂后无法形成膜层,干燥后迅速粉化。而另一类光触媒喷涂后虽然可以成膜,但用湿布擦拭后立刻消失。这两类产品均无法正常发挥光触媒降解污染和灭菌作用。    

【解答】:首先,这个错误论断再次混淆了“光触媒”原料和“光触媒产品”的概念,光触媒原料本身是粉末,没有粘粘性,这是常理。各个厂家生产的光触媒产品首先都要解决这个问题才能实现其产品化,这是一个企业推出光触媒产品的前提,否则也不会推向市场。    第二,技术上讲,如果成膜厚度小就不容易见到物理成膜,这也是光触媒产品制造业追求的终极目标。因为,成膜厚度大会有两个问题,第一就是膜层硬度,如果硬度低,可以适应机制底材的热胀冷缩,但是膜层易磨损,最终消失。如果膜层硬度高,那么不容易磨损,但是,适应底材热胀冷缩的能力严重降低,热胀冷缩系数的差异,会使膜层脱离基材,尤其是厚度大的膜层,更容易脱落。这两个方面的问题,都会造成光触媒制剂产品的效果无法持久。怎样解决这个问题呢,光触媒制造业需要技术的突破。据了解,这种技术的突破已经有些厂家实现了,采用了一些化学界前沿的科技成果,说了就是宣传了。总之,随着科技的进步问题一定是可以解决的,但是以成膜厚度定论光触媒产品好坏的观点是错误的。一些产品鼓吹成膜,其更多的目的可能是封闭,而不是所谓的光催化分解。可以断定,如果可以在基材表面形成一层厚膜,即使没有光触媒也一样可以立即见效,只是不能彻底解决问题,膜坏了污染还会反复。    

【错误观点十一】:光触媒可以把有机物分解为二氧化碳和水?    

【解答】:首先,光触媒的光催化作用确实可以把部分有机物降解,但是降解的结果并不一定是二氧化钛和水,这取决于该有机物的组成结构,也可能是有机酸类、盐类等等物质,胺类物质怎么转化也不可能是水吧,所含的氮元素怎么办?所以,反应条件的不同,其产物也不同。    第二,光触媒并不能有效降解苯系物。苯的最低反应条件是100-120度,在钼作催化剂之下,可以和氯气(CL2)产生加成反应,这也是工业上生产甲苯、二甲苯的必由之路。常温下苯不与任何物质发生化学反应,当然也不可能被二氧化钛催化降解。如果可以的话,工业上生产甲苯、二甲苯等化工原料也不必这样耗能,成本可以大大降低了,目前的化学界还没有解决常温下降解苯的方法。所以,清除室内苯污染,必须想别的办法,不能依靠二氧化钛光触媒分解。    总之,随着技术的进步,问题总是可以被那些勤奋的科技工作者加以解决。商业炒作要适度,伪科学迟早会被广大用户所了解。古训告诉我们,大道不过两三句,说穿能值几文钱,任何神秘化产品的概念都是纸糊的,就像水变油、永动机等等科学界的笑话,现代人不会再去相信这些,我们只要用务实的眼光去看待这些概念,就可以分清哪些是商业炒作,科学和神秘永远是对立的。另外,从事环保行业的工作者,应该加强学习,发现新的观点要多做考证,咨询一下行业的专家学者,或者去看看相关学术论着,就不会轻易被这些错误观点所迷惑了。    

【错误观点十二】:光触媒是兰色透明溶液?    

【解答】:首先,大多数光触媒材料是白色粉末状固体,也有的呈现微黄色例如纳米硫化镉粉末。所谓蓝色透明溶液是各生产厂家的光触媒产品可能会有颜色的区别,是各品牌产品之间的差别,所以,说光触媒是蓝色溶液的说法是一种美化某些商品的商业炒作。纳米氧化钛(TiO2)、纳米氧化锌(ZnO)、纳米氧化锡(SnO2)、纳米二氧化锆(ZrO2)一般呈现白色粉末状,纳米硫化镉(CdS)等光触媒材料呈现黄色或者微黄色。    第二,从常理上说,以纳米二氧化钛为例。如果把一克纳米二氧化钛粉末放在10吨水里均匀分散,液体不会有颜色,太稀薄了。反过来,如果把同样1克纳米二氧化钛溶在5克水里,那么乳液肯定呈现白色豆浆装。很简单,颜色和浓度有关,并不是很复杂的问题。    另外,各厂家生产的光触媒产品呈现什么颜色,还与该产品种其它的原料组分有关系,可能会因为其它必要添加组分使产品呈现各种颜色,包括呈现蓝色。    用高纯度二氧化钛加入几种微量金属氧化物,在800℃—1000℃下于大气中锻烧,即可制得肤色二氧化钛,由于锻烧过程中,金属离子固熔到二氧化钛晶格中,在酸、碱中均不溶出,在高档化妆品中得到应用。    

【错误观点十三】:光触媒中加入一些红墨水,用太阳光照之后颜色退去,说明是优质光触媒?    

【解答】:首先,这个实验的结果在正常光触媒产品中会出现,但是,出现这种现象并非说明光触媒质量好,只里面有别的因素可能在其作用。比如,该产品包含一些氧化剂类物质,那么使红墨水褪色很容易。简单的实验我们自己也可以做,拿一点洗衣服用的“漂白水”掺在光触媒产品里面,这时再加一点红墨水就会褪色,有点大师的意思了吧。    第二,现代化学研究已经不是古代化学启蒙时代了,这些小的化学技巧如果在缺乏科学常识的时代会令人感到新奇,但是现代化学知识的普及,使红墨水退色的方法太多了,并不是只有光触媒可以实现,所以不能说明问题。现代化工产品的开发,肯定需要大型仪器的辅助,也需要准确的数据,更重要的是一个严谨的科学态度。真正的科研工作者不会去炫耀这种结论不确定的小实验。其实,真实数据比一些小实验更浅显易懂,到底是不是包含光触媒在里面,只需要拿到科研院所做个简单分析测试,成本也不过几百元,国家在室内环保产品检验方面提供了标准的测试方法,可以去查阅一下GB/T2761-2006标准,即可一目了然。 

   

【错误观点十四】:光触媒并没有净化空气的效果    

【解答】:光触媒作为一种高科技原料,天然的特性决定了它的光催化特点,毋庸置疑。但是,各个厂家生产的光触媒产品是否具有净化空气的作用,要取决于该产品的性能,包括光触媒材料的含量、各种助剂的配比、纳米颗粒表面的处理方式以及使用方法等,多种因素都很关键。这就像感冒药一样,都叫做感冒药,但是各品牌的药效可能存在差异。所以,我们不能说因为吃了一次感冒药没治好,就否定所有的感冒药不好用,这是以偏概全,不可取。光触媒制造业是一个庞大的产业,作为一种普通工业材料全世界的年产量大约为400万吨,其价值并不是哪一家企业的产品好不好所能左右的。    

【错误观点十五】:光触媒的替代产品是空气触媒    

【解答】:空气触媒是一些厂家的商品名称,自然界并不存在这样的物质。正常的空气成分按体积分数计算是,氮(N2)占78.08%,氧(O2)占20.95%,氩(Ar)占0.93%,二氧化碳(C02)占0.03%,还有微量的惰性气体,如氦(He)、氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)等。臭氧(O3)、氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)。空气是复杂的混合气体,不能统称为一种催化剂,所以说不存在空气催化剂,也就是不存在空气触媒这种东西。常说的空气触媒是一种产品制剂,各厂家配方和生产工艺不尽相同,是一个商业概念的范畴。

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