随着近二十年中国经济持续高速增长，煤炭为主的能源结构排放的巨量大气污染物使得我国城市室外空气污染指数高居不下，室内装修材料的普遍使用也导致室内有害气体大幅度超标，已严重危害人类健康。光催化氧化作为一种高级氧化技术，近年来在难降解污染物的处理方面得到了广泛的研究。科学家们研究中发现，TiO2 半导体光催化能够降解几乎所有的有机物，生成CO2 或易被生物降解的小分子，且光催化剂稳定性较高。而如何将光催化技术广泛应用于日常生活中，如何选择最佳光催化效果产品，保障人类健康远离危害，就成为了我们目前急需解决的实际问题。
一、 空气污染严重危害人类健康
室外空气污染形势严峻，主要包括工业企业废气排放、汽车尾气排放、土壤灰尘等。据有关部门数据显示，由于中国以煤炭为主的能源结构(60～70%)，燃煤产生了90% 的SO2、85% 的CO2、67%的NOX和烟尘等大气污染物，降低大气可见度并造成酸性严重沉积，引发支气管炎和哮喘等呼吸道疾病，严重危害了人类健康。
室内空气污染严重危害人类健康，人的一生超过90%的时间是在室内度过，在我们每天生活、工作的室内空气环境中普遍存在粉尘、烟雾、有害气体、病菌病毒、异味臭味等各种污染物，由于室内空间相对密闭，空气不流通，污染物漂浮在其中。室内空气污染物主要分为可吸入颗粒物、生物活性粒子污染物和气态化学污染物3类。
室内空气污染物之一的有害气体VOCs，主要包括甲醛(来源于室内装饰材料及家具中的板材,如人造板、夹心板等)；苯、甲苯、二甲苯(来源于油漆、胶水、涂料等)；氨气(如施工添加的防冻剂含有氨)；氡(来源于水泥、石材、地砖等)。
美国环境署(EPA)对VOC的定义是：除了二氧化碳，碳酸，金属碳化物，碳酸盐以及碳酸铵等一些参与大气中光化学反应之外的挥发含碳化合物。VOC的主要来源在室外，主要来自燃料燃烧和交通运输：而在室内则主要来自燃煤和天然气等燃烧产物、吸烟、采暖和烹调等的烟雾，建筑和装饰材料，家具，家用电器，清洁剂和人体本身的排放等。有近千种之多。在室内装饰过程中，VOC主要来自油漆，涂料和胶粘剂。
室内VOC浓度通常在0.2～2mg/m3之间，当室内VOC浓度在0.16～0.3mg/m3时，对人体健康基本无害，而在不当装修施工中，甚至可高出数十倍。由于VOC本身具有着极大的危害性，已经被社会喻为人类的“隐形杀手”。
VOCs常见降解方法：吸附法、热催化燃烧(250-500 ℃)、紫外光降解(UV/O3)。
0.1wt% Pt/TiO2催化剂上光催化与热催化氧化 氯乙烯的降解：光催化氧化不同于一般
三氯乙烯(500 ppm)效果比较；结果表明低于的光分解反应。在催化剂的作用下，其120℃时，光催化表现出明显的催化氧化活性。 活性远高于后者。
“不良建筑物综合症”是危害人类健康的10大杀手之一。世界上30%的建筑物存在有害的室内空气，35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病，18%的气管炎 支气管炎和肺癌与室内空气污染相关。
由此可见，室内外空气污染严重危害人类健康的客观现实情况，已经成为我们应当予以考量的重大的、急迫的问题。
二、光催化理论发展与应用
通说认为，光催化(光触媒)，即为“以光为催化剂，在吸收光的能量后，能够发挥触媒特性的物质”。亚洲以日本、韩国、台湾为代表的学术界及产业界也称之为“光触媒”。虽然早在1930年便有以氧化锌(ZnO)为反应素材的光触媒被记载于文献 ，但自1972年日本多相光催化研究学者，藤岛昭和本多健一在n-型半导体二氧化钛(TiO2)电极上发现了水的光电催化分解作用特性以来，制作光催化都采用半导体二氧化钛为反应材料。现在学术上对光催化的定义为：“以二氧化钛为反应材所制成的一种半导体应用材料。”
我们认为，TiO2 光催化剂表面在紫外灯照射下产生氧化性极强的氢氧自由基，能分解空气中的有机物，破坏细胞膜，氧化细胞核，使病毒细菌丧失活性。
TiO2二氧化钛的能隙(即令电子发生跃迁所需的能量，换言之就是激活光触媒的能量)为3.2eV，通过换算可知，只有波长小于388nm的光能才可以激活二氧化钛，而这部分波长的光正好是紫外线。
光催化的氧化还原反应：TiO2 光催化剂一经光照，原料中二氧化钛的电子便会从价电带跃迁至导电带，在光触媒表面形成电子(e-)电子空穴(h )对，带负电的电子与氧结合产生负氧离子(O2- )，带正电的电子空穴与水结合产氢氧自由基(.OH)，这两者在化学上都是极不稳定的物质，当有机物质(碳氢化合物)接触到光触媒表面时，便会分别和负氧离子及氢氧自由基结合，重新组合成二氧化碳(CO2)和水(H2O)。 这一连串的反应，学理上称为“氧化还原反应”。
透过氧化还原反应，当将光催化应用在生活、工作空间中时，便能有效分解气味分子和细菌、病毒等微生物，达到洁净室内环境、创造清新空气的效果，因此近十年来在日本，光催化已被广泛应用于居家环境和医疗院所中，此外经光触媒加工的各类产品也成为医疗院所的最新选择。
概言之，光催化氧化分解有害气体VOCs操作条件温和，是一种易于实用化的污染物降解技术，可杀灭大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄葡萄球菌、霉球菌、空气中的浮游细菌等。因此可以将各种有害化学物质、恶臭物质分解或无害化处理，达到净化空气、抗污除臭的作用。 最终产物为二氧化碳、水等无害物质。在反应过程中，光触媒本身不会发生变化和损耗，在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间持久、持续作用的优点。
三、光催化反应因素
光催化反应影响因素中，除催化剂特性已普遍被人们所关注、研究之外，光源、有机物浓度、pH值、反应温度皆有关联，其中UV光源的选择极为重要。
其中，催化剂特性因素包含粒径、比表面积、表面羟基、结晶度(混晶)、吸光度(光谱响应范围)等；光源因素包含黑光灯(250～320nm)、高压汞灯(365nm)、碘钨灯(可见区)、氙灯(可见区)等；有机物浓度因素中的高浓度下，由于有机物对紫外光也有一定程度的吸收，反而会抑制光催化氧化的速度；反应温度因素中光催化反应是光化学过程和热化学过程的结合，因此热化学过程会影响光催化速度。
通常，将半导体TiO2和配合物Ru(bpy)2 3被称为光催化剂。习惯上，常把包括金属配合物在内的均相光催化体系视为广义的，而把仅以半导体作为光催化剂的多相体系视为狭义的。光催化反应通常都是由若干个基元反应组合而成，最为人们熟知的有自然界的光合作用：CO2 H2O → (CH2O) O2。绿色植物通过叶绿素吸收阳光，由CO2和H2O光合成碳水化合物及其他化合物，同时向大气中放出O2，这是一个相当复杂的光催化过程。整个过程能在有光和无光情况下进行，故可将它分成光反应和暗反应。光反应是形成“活化”物种的过程，暗反应是由活化物种将CO2还原的过程。
有部分学说认为，影响TiO2光催化活性的主要是TiO2晶体结构、TiO2表面结构、催化剂颗粒直径、pH值、反应温度因素，光源、光强仅是一般因素。我们认为，这是一种片面的认识。第一，分析TiO2晶体结构因素，高活性的锐钛矿，具有较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负的电位，因而具有较高的氧化能力，决定发生的光催化过程强弱；第二，分析TiO2表面结构因素，充分接受光照的表面积、对光子的吸收能力、对光生电子和空穴捕获并使其有效分离的能力、电荷在表面向底物转移的能力，决定催化剂表面发生的光催化过程强弱；第三，分析催化剂颗粒直径因素，催化剂粒子的粒径越小，单位质量的粒子数越多，比表面积越大，这样产生两种效应：①半导体禁带明显变宽，电子-空穴对的氧化还原能力增强。②半导体电荷迁移速率增加，电子与空穴的复合几率降低。对外表现为催化活性越高。从上述分析中，我们不难发现所有因素都需要最为重要的反应条件：TiO2吸收光能并转化为电化学能产生氧化还原反应。在其它反应因素恒定条件下，依据能量守恒定律，光催化氧化还原反应强弱，与UV光源传递的光能强弱成正比例关系。
我们认为，无论是自然界中的CO2还原反应还是人工的水还原(产H2)和氧化(产O2)反应，都是通过多电子途径发生的。在其它光催化反应因素恒定条件下，UV光源辐照强度决定光催化反应效能。辐照强度愈大，传递光能愈大，光催化效果愈佳。
四、高辐照度UV光源选择
一般而言，UV光源分两种：热阴极低压水银弧光放电灯和冷阴极低压水银辉光放电灯。灯管采用玻璃吹制成为真空放电管，与常见的日光灯、节能灯灯管所采用的普通玻璃不同，参照GB标准生产的产品通常采用高纯度石英玻璃材料。
1. 紫外线的分类
名称紫外区可见光区红外区
超紫外远紫外中紫外近紫外紫光等近红外区中红外区远红外区
波普划分真空紫外
10~200nmC波段
200~275nmB波段
275~320nmA波段
320~400nm380~780780~14001400~30003000~1000000
生物效应生成臭氧灭菌红斑效应黑斑效应
根据生物效应的不同，将紫外线按照波长划分为四个波段：①UVA波段，波长320～400nm，又称为长波黑斑效应紫外线 。它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料；②UVB波段，波长275～320nm，又称为中波红斑效应紫外线，中等穿透力，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收；③UVC波段，波长100～275nm，又称为短波灭菌紫外线；④UVD波段，波长小于200nm，又称为真空紫外线。
光催化通常采用365 nm UVA波段紫外线作电化学为氧化还原反应光源。
2. UV光源灯管材料品质差异
普通玻璃与石英玻璃紫外线透光率差异。就玻璃成分而言，有钠钙玻璃、石英玻璃、硼硅酸接耐热玻璃、硼硅酸玻璃以及非碱性玻璃(Non-alkali glass)等。玻璃产品中，除石英玻璃外，几乎所有的普通na硅玻璃都可以过滤或吸收大部分紫外线(200～360nm)，但可以透过可见光(360～1000nm)；石英玻璃可以完全透过紫外光和可见光(200～1000nm)。
一般UV光源灯管都采用石英玻璃制作，因为石英玻璃对紫外线各波段都有很高的透过率，达80%～90%，是做UV光源的最佳材料。
也有较多产品采用成本很低、紫外线穿透率<50%的高硼砂玻璃管代替石英玻璃，但它在性能上远比不上石英UV管。高硼类灯管的紫外光强度很容易衰减，点灯数百小时后紫外线强度就大幅下降到初始时的50%～70%；而石英类灯管在点燃2000～3000小时后，紫外线强度只减到初始时的80%～70%，光衰程度远远小于高硼类灯管。
3. 热阴极紫外灯与冷阴极紫外灯差异
热阴极紫外灯具有以下特点：阴极位降小(10V左右)、大电流(80mA～2000mA)、紫外辐射强度通常是冷阴极的5～10倍、寿命4000小时左右；冷阴极紫外灯则具有阴极位降大(几十伏～几百伏高电压)、小电流(2mA～100mA)、紫外辐射强度小、寿命高达20000小时。
4. UV光源灯存在的问题
①以高硼砂玻璃管替换高纯石英玻璃管。因石英玻璃灯工艺特殊、制造困难、价格较高，使得杀菌灯的生产不能规模化，造成石英杀菌灯的成本较高；②光衰较大、寿命不长一般仅3000～4000小时左右。一般厂家生产的紫外线杀菌灯点燃数百小时后，它的紫外光强度衰减很快，最高达到30%。
5. 采用GB19258-2003《紫外线杀菌灯》国家标准制作的UV灯特征
①采用高纯度石英玻璃管，羟基含量≤8ppm；主要杂质含量之和≤50ppm；紫外线透过率≥90%
①热阴极平均寿命≥8000小时，冷阴极平均寿命≥12000小时；
目前，广州约克，广东美的，深圳康鸿，厦门万利达，卡舒等国内外著名厂商选用了雪莱特UV灯管作为光催化光源。
综上所述，我们认为，光催化氧化技术可以在空气气氛中实现大部分有机污染物的降解，光催化作为一种自然现象， 已在电化学、光化学、催化化学、生物化学等学科领域内有过广泛的应用。但是具有类似雪莱特高稳定辐照度特性的UV灯是构成光催化的重要因素之一，而选择不同品质UV光源对光催化效能具有较大影响。
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作者简介：黄爱军(1971- )，男，汉族，湖南长沙人，广东雪莱特光电科技股份有限公司紫外线事业部。
【编辑：Vessel 】
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