浅谈纳米光催化技术在大气污染治理中的应用

续钊

【摘 要】 伴随科技的不断发展及大气污染问题的日趋严峻，近来年纳米光催化技术在大气污染治理中得到广泛推广。本文将对纳米光催化技术在大气污染治理中的应用展开进一步研究。

【关键词】 纳米光催化技术；大气污染；治理；净化

[Abstract] With the continuous development of science and technology and the increasingly serious problem of air pollution. This paper will further study the application of nano-photocatalysis technology in air pollution control.

[Keywords] nano-photocatalysis technology； air pollution； treatment； purification

对于纳米光催化技术在大气污染治理中的应用，首先应当研制出相应规模且具备可靠催化性能的納米催化剂，对氮氧化物、碳氢化物、挥发性有机物等大气污染成本进行讲解。其次应当研发多种不同技术公用，并结合对应空间环境中的空气净化装置，在新技术发展完善后，进而实现对大气污染问题的有效治理。

1 大气污染治理现状

针对近年来日趋严峻的大气污染，我国相继出台了一系列法律法规，强调了要加强对各种污染物排量的有效控制，构建健全不同污染源头的管理制度，推进对相关区域中大气污染的防治，从根本上改善大气污染问题。目前，在国际层面依旧采用催化还原、低温冷凝、高温催化燃烧等方式，以对工业生产中形成的氮氧化物、挥发性有机物等进行控制，由此表明，此类技术对污染源头控制发挥着至关重要的作用[1]。

2 纳米光催化技术概述

2.1 纳米光催化原理

20世纪70年代，日本研究人员Fujishima等首次发现在近紫外光照射下，单晶金红石型的TiO2电极能可使水于正常情况下发生持续氧化还原反应，由此开启了光催化技术研究的篇章。随后，又有研究人员将TiO2作为光催化剂用以脱除多氯联苯中的氯，由此标志了光催化技术在生态环保领域的推广。在照射光波长小于相应数值条件下，TiO2可吸收能量大于其能隙宽度的短波光辐射，使价带电子形成跃迁，进一步于导带、价带上产生高活性的电子对，可与附着于TiO2表层O2和H2O产生光化学反应，产生具备强氧化性的超氧阴离子自由基、羟基自由基等，可实现对一系列有机污染物的充分氧化，进而降解为水、二氧化碳、无机酸等产物[2]。于此期间，TiO2所扮演的是催化剂角色，不仅自身不会消耗，且不会造成环境污染。而纳米TiO2凭借其量子尺寸效应，相较于前者具备更高的能隙宽度和表面积，且拥有更强的氧化还原能力，由此使得材料的光催化活性得到进一步增强。近年来，纳米光催化技术已然转变成国际领域一项热点的研究课题，在大气净化、贵金属回收、污水处理等领域均得到广泛推广。

2.2 纳米光催化新材料

凭借纳米材料表层特殊效应及量子尺寸效应实际作用，使得催化剂可实现对污染物的有效吸附及生载流子分离。即便TiO2具备诸多优点，TiO2强氧化催化技术，也是新型环境净化技术的前提。然而TiO2也存在诸多不足，例如对实际操作范围较为有限。由于只可受限不超过388mm的紫外光激发，因而无法实现对光的自由利用，容易重新复合的光生载流子会对光催化效率造成极为不利的影响[3]。光催化剂受到光谱响应范围小及量子效率不足很大程度影响，针对该种情况，国内外研究人员开展大量深入的研究。对光催化剂表层性能、自身能带结构、孔身结构等的调控，进而提高光催化剂对电子对的最大分离率，为催化剂高性能及可靠的净化氮氧性提供有力保障。

3 纳米光催化技术在大气污染治理中的应用

3.1 纳米光催化技术应用于净化空气

纳米光催化材料可实现对空气中诸如含硫化合物、氮氧化物等常见污染物的有效催化降解，所以纳米光催化技术在空气净化领域具备良好的应用前景。半导体光催化效应是由东京大学Akira Fujishima首次发现的，以其为代表的研究小组在半导体光催化的理论研究与实践应用领域均做出了极大的贡献。近年来，我国针对以半导体光催化技术为前提的空气净化研究也收获了长足的发展。有研究人员研发出活性炭-纳米TiO2复合光催化空气净化网，在特定前提下，可实现对空气中一系列污染物的有效净化，诸如，针对一氧化碳净化率可达到60.1%，针对氨气净化率可达到96.5%，针对硫化氢净化率可达到99.6%等[4]。经对比实验得出，这一空气净化网可显著提高光催化效率，同时可利用光催化效应实现活性炭的原位再生。还有研究人员研发的碳黑改性纳米TiO2光催化膜，这一催化膜可很大程度上TiO2光催化剂的催化活性，并且具备良好的稳定性。

3.2 纳米光催化技术应用于净化机动车尾气

机动车尾气排放是现如今全球各大城市空气污染物的主要来源之一，这些污染物包括有氮氧化物、固体悬浮微粒、一氧化碳、硫氧化合物等，均会对空气环境造成极为不利的影响。现阶段，针对机动车尾气的净化处理，主要利用的是贵金属三相催化剂，这一处理手段可实现高效的催化转化，然而同时也存在贵金属成本偏高、催化剂有毒性等不足。光催化技术可实现对机动车尾气中一系列污染物的有效降解，是一项具备良好发展前景的机动车尾气净化技术。有研究人员研究得出，TiO2催化可实现对机动车尾气中氮氧化物的有效净化。还有研究人员指出，通过将TiO2催化材料添加进半柔性碱性水泥路面中，可有效减少机动车尾气中各式各样的污染物，基于中和反应，路面的碱性水泥可实现对附着于催化材料表层无机酸催化产物的有效去除，进而为催化材料的活性提供可靠保障。

3.3 纳米光催化技术应用于降低温室效应

温室效应是新世纪以来人们面临的一项重要环境问题。引发温室效应的关键人为污染物为CO2，所以改善大气中CO2的排放是降低温室效应的重要一环。与此同时，以CO2为原料生产有价值化学用品是近年来绿色化学领域得到广泛关注的一项课题，大气中的CO2还原利用可收获理想的综合效益。半导体光催化技术即为一种具备良好发展前景的CO2还原技术。然而，现阶段光催化还原CO2技术在工程应用层面，因为效率偏低而难以得到广泛推广。近年来，超临界流体光催化技术凭借其可显著提高CO2催化还原反应效率的优势，表现出了一定的发展潜力。而纳米TiO2催化则是该项技术必不可少的一部分。相关研究人员借助湿化学浸渍技术提取出一种负载于石墨烯的纳米TiO2材料，这一材料可显著提高将CO2转化成CH4的效率[5]。还有研究人员深入研究了纳米TiO2将CO2转化成CH4该催化技术的基本原理、发展前景等，指出相较于纳米TiO2，添加进Cu等金属的纳米TiO2具备更可靠的转化效率及良好的市场应用潜力[6]。

4 结束语

总而言之，纳米光催化技术在大气污染治理中的应用，可有效净化空气、净化机动车尾气、降低温室效应等，符合社会可持续发展要求。因而，大气污染治理相关人员必须加大研究力度，加强对纳米光催化技术的深入分析，切实推进纳米光催化技术的科学应用，积极促进大气污染治理工作有序开展。

参考文献：

[1] 曹军骥，黄宇.纳米光催化技术在大气污染治理中的应 用[J].科技导报，2016，34（17）：64-71.

[2] 郭咏梅，洪晓燕，张强，等.纳米光催化生态道路降解汽 车尾气研究进展[J].湖南交通科技，2016，42（02）：67-71.

[3] 周丹.纳米光催化技术在大气污染治理中的应用研究[J].环 境与发展，2018，13（04）：162-163.

[4] 吕鲲，张庆竹.纳米二氧化钛光催化技术与大气污染治理 [J].中国环境科学，2018，38（03）：852-861.