TiO2光催化原理及應(yīng)用

1、TiO 2光催化原理及應(yīng)用一 .前言在世界人口持續(xù)增加以及廣泛工業(yè)化的過程中，飲用水源的污染問題日趨嚴(yán)重。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的估計(jì)，地球上 22% 的居民日常生活中的飲用水不符合世界衛(wèi)生組織建議的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。長期攝入不干凈飲用水將會(huì)對(duì)人的身體健康造成嚴(yán)重危害, 世界范圍內(nèi)每年大概有 200 萬人由于水傳播疾病死亡。水中的污染物呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)，常見的污染物包括有毒重金屬、自然毒素、藥物、有機(jī)污染物等。常規(guī)的飲用水凈化技術(shù)有氯氣、臭氧和紫外線消毒以及過濾、吸附、靜置等，但是這些方法對(duì)新生的污物往往不是非常有效，并且可能導(dǎo)致二次污染。包括我國在內(nèi)世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的氯氣消毒法，可能在水中生成對(duì)人類

2、健康有害的高氯酸鹽。臭氧消毒是比較安全的消毒方法，但是所需設(shè)備昂貴；而紫外線消毒法需要能源支持，并且日常的維護(hù)都需要專業(yè)的技術(shù)人員；吸附法一般需要消耗大量的吸附劑，使用過的吸附劑一般需要額外的處理。這些缺點(diǎn)限制了它們的應(yīng)用范圍，迫切需要發(fā)展一種高效、綠色、簡單的凈化水技術(shù)。自然界中，植物、 藻類和某些細(xì)菌能在太陽光的照射下，利用光合色素將二氧化碳（或硫化氧）和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（或氫氣）。這種光合作用是一系列復(fù)雜代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。光化學(xué)反應(yīng)的過程與植物的光合作用很相似。光化學(xué)反應(yīng)一般可以分為直接光解和間接光解兩類。直接光解為物質(zhì)吸收能

3、量達(dá)到激發(fā)態(tài)，吸收的能量使反應(yīng)物的電子在軌道間的轉(zhuǎn)移，當(dāng)強(qiáng)度夠大時(shí)，可造成化學(xué)鍵的斷裂，產(chǎn)生其它物質(zhì)。直接光解是光化學(xué)反應(yīng)中最簡單的形式，但這類反應(yīng)產(chǎn)率一般較低。間接光解則為反應(yīng)系統(tǒng)中某一物質(zhì)吸收光能后，再誘使另一種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。半導(dǎo)體在光的照射下，能將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，促使化合物的合成或使化合物（有機(jī)物、無機(jī)物）分解的過程稱之為半導(dǎo)體光催化。半導(dǎo)體光催化是光化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，它能使許多通常情況下難以實(shí)現(xiàn)或不可能進(jìn)行的反應(yīng)在比較溫和的條件下順利進(jìn)行。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，光催化技術(shù)具有兩個(gè)最顯著的特征：第一，光催化是低溫深度反應(yīng)技術(shù)。光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機(jī)污染物等完

4、全氧化二氧化碳和水等產(chǎn)物。第二，光催化可利用紫外光或太陽光作為光源來活化光催化劑，驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)，達(dá)到凈化目的，對(duì)凈化受無機(jī)重金屬離子污染的廢水及回收貴金屬亦有顯著效果。二.TiO2的性質(zhì)及光催化原理許多半導(dǎo)體材料（如TiO2, ZnO, Fe2O3, ZnS, CdS等）具有合適的能帶結(jié)構(gòu)可以作為光催化劑。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半導(dǎo)體在光照下不穩(wěn)定，存在不同程度的光腐蝕現(xiàn)象。在眾多半導(dǎo)體光催化材料中，TiO2以其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化-還原性強(qiáng)、抗腐蝕、無毒及成本低而成為目前最為廣泛使用的半導(dǎo)體光催化劑。TiO2屬于一種n型半導(dǎo)體材料，它有三種晶型 銳鈦礦相、金紅石相

5、和板鈦礦相，板 鈦礦的光催化性能和穩(wěn)定性最差，基本沒有相關(guān)的研究和應(yīng)用。而銳鈦礦型和金紅石型均 屬四方晶系，兩種晶型都是由相互連接的TiO6八面體組成的，每個(gè)Ti原子都位于八面體的中 心，且被6個(gè)。原子圍繞。兩者的差別主要是八面體的畸變程度和相互連接方式不同。金紅 石和銳鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)的差異也導(dǎo)致了這兩種晶型物化性質(zhì)的不同。從熱力學(xué)角度看，金紅 石是相對(duì)最穩(wěn)定的晶型，熔點(diǎn)為1870 C；而銳鈦礦是二氧化鈦的低溫相，一般在500c 600c 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石。二氧化鈦晶型轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是晶胞結(jié)構(gòu)組成單元八面體的結(jié)構(gòu)重排。金紅 石晶型結(jié)構(gòu)中原子排列更加致密，密度、硬度、介電常數(shù)更高，對(duì)光的散射也更大。因此

6、， 金紅石是常用的白色涂料和防紫外線材料，對(duì)紫外線有非常強(qiáng)的屏蔽作用，在工業(yè)涂料和 化妝品方面有著廣泛的應(yīng)用。銳欽礦的帶隙寬度為稍大于金紅石的，光生電子和空穴不易 在表面復(fù)合，因而具有更高的光催化活性能夠直接利用太陽光中的紫外光進(jìn)行光催化降解， 而且不會(huì)引起二次污染。因此，銳鈦礦是常用的處理環(huán)境污染方面問題的光催化材料。TiO2的禁帶寬度為3.2ev （銳鈦礦），當(dāng)它受到波長小于或等于387.5nm的光（紫外光）照射 時(shí)，價(jià)帶的電子就會(huì)獲得光子的能量而躍遷至導(dǎo)帶， 形成光生電子（e-）;而價(jià)帶中則相應(yīng)地形 成光生空穴（h+）。如果把分散在溶液中的每一顆 TiO2粒子近似看成是小型短路的光電化學(xué)

7、電池，則光電效應(yīng)應(yīng)產(chǎn)生的光生電子和空穴在電場(chǎng)的作用下分別遷移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生電子e-易被水中溶解氧等氧化性物質(zhì)所捕獲，生成超氧自由基。2一；而空穴h+則可氧化吸附于TiO2表面的有機(jī)物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成羥基自由 基OH; OH和O2-的氧化能力極強(qiáng)，幾乎能夠使各種有機(jī)物的化學(xué)鍵斷裂，因而能氧化絕 大部分的有機(jī)物及無機(jī)污染物，將其礦化為無機(jī)小分子、CO2和H2O等物質(zhì)。反應(yīng)過程如下：TiO2 + hv - h+e-h+ OH- Hh+ + H2O OH + He- + O2 位-H2O + O2 - HO2 , + OH2HO2 +e-

8、+H2O-H 2O2+OH-H2O2 + e- - OH+OHH2O2 + O2-f OH+H, OH + dye f ,22 + H 2OOO2 + dye 2+ H2O當(dāng)然也會(huì)發(fā)生，光生電子與空穴的復(fù)合：h+ + e -熱能由機(jī)理反應(yīng)可知，TiO2光催化降解有機(jī)物，實(shí)質(zhì)上是一種自由基反應(yīng)。羥基自由基是含有一個(gè)未成對(duì)電子自由基，這使得它幾乎能跟水中的幾乎所有機(jī)污染物和大部分的無機(jī)污染物反應(yīng)。它與污染物的反應(yīng)速度非?？欤磻?yīng)速度僅僅受限于羥基自由基在水中的擴(kuò)散速度。羥基自由基與污染物的反應(yīng)機(jī)理主要包括在不飽和的雙鍵、三鍵上的加成反應(yīng)，氫取代和電子的轉(zhuǎn)移。很多研究表明，羥基自由基在光催化降解的過

9、程中起主導(dǎo)作用。雖然超氧自由基、單基態(tài)氧和雙氧水的氧化電位低于羥基自由基，但是他們?cè)诮到獾倪^程中也起到不可或缺的作用。TiO2光催化主要通過生成的含氧自由基與水中的污染物反應(yīng)，達(dá)到降解的目的，并且最終產(chǎn)生對(duì)環(huán)境無害的水、二氧化碳、氮?dú)獾?。TiO2光催化可以同時(shí)產(chǎn)生帶正電荷的空穴以及帶有負(fù)電荷的電子，這使得催化體系既有氧化能力又有還原能力。所以劇毒的三價(jià)砷（砒霜的有效成分就是三價(jià)砷）可以被氧化成低毒的五價(jià)砷，對(duì)人有害的六價(jià)鉻被還原成無毒的三價(jià)鉻。TiO2作為光催化劑它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1. 把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能加以利用。2. 降解速度快，光激發(fā)空穴產(chǎn)生的 OH是強(qiáng)氧化自由基，可以在較短的時(shí)間內(nèi)成

10、功的分解 包括難降解有機(jī)物在內(nèi)的大多數(shù)有機(jī)物。3. 降解無選擇性，幾乎能降解任何有機(jī)污染物。4. 降解范圍廣，幾乎對(duì)所有的污水都可以采用。5. 具有高穩(wěn)定性、耐光腐蝕、無毒等特點(diǎn)，并且在處理過程中不產(chǎn)生二次污染；有機(jī)污染物能被氧化降解為CO2和H2O,并且其對(duì)人體無毒。6. 反應(yīng)條件溫和，投資少，能耗低，用紫外光照射或暴露在太陽光下即可發(fā)生光催化化學(xué) 反應(yīng)。7.反應(yīng)設(shè)備簡單，易于操作控制。光催化反應(yīng)具有穩(wěn)定性，一般情況下，負(fù)載TiO2光催化劑能多次使用，不影響反應(yīng)效果，催化作用持久長效。三 .TiO 2的應(yīng)用領(lǐng)域TiO2能有效的將廢水中的有機(jī)物、無機(jī)物氧化或還原為CO2、PO43-、SO42-

11、、NO3-、鹵素離子等無機(jī)小分子，達(dá)到完全無機(jī)化的目的。染料廢水、農(nóng)藥廢水、表面活性劑、氯代物、氟里昂、含油廢水等都可以被 TiO2催化降解。而且TiO2具有殺菌效果，這種特性幾乎 是無選擇性的，包括各種細(xì)菌和病毒。OH起主導(dǎo)作用的反應(yīng)較復(fù)雜：OH既可以與表面Ti締合成Ti4+HO來氧化表面污染物，也可以擴(kuò)散到液相中來氧化污染物：對(duì)于二者共同作用來說，表面氧化反應(yīng)和液相氧化反應(yīng)應(yīng)該是同時(shí)進(jìn)行的。這可歸結(jié)為反應(yīng)物、中間體與產(chǎn)物在催化劑表面上進(jìn)行的競(jìng)爭吸附 導(dǎo)致反應(yīng)位置由催化劑表面向液相中轉(zhuǎn)移。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有300多種有機(jī)物可被光催化分解，而且美國環(huán)保局公布的114種有機(jī)物均被證實(shí)可通過光催化氧化降解

12、礦化。可采用 TiO2光催化處理的有機(jī)廢水及有機(jī)物的種類如下： 染料廢水：甲基橙、甲基藍(lán)、羅丹明-6G、羅丹明B、水楊酸、羥基偶氮苯、水楊酸、分散 大紅、含磺酸基的極性偶氮染料等。農(nóng)藥廢水：除草劑、有機(jī)磷農(nóng)藥、三氯苯氧乙酸、2，4, 5-三氯苯酚，DDVP、DTHP、DDT等等。表面活性劑：十二磺基苯磺酸鈉、氯化卞基十 二磺基二甲基胺、壬基聚氧乙烯苯、乙氧基烷基苯酚等。氯代物：三氯乙烯、三氯代苯、三氯甲烷、四氯化碳、4-氯苯酚、2-氯代二苯并嗯英、7-氯代二苯并二嗯英、多氯代二苯并二嗯英、四氯聯(lián)苯、氟里昂、五氟苯酚、氟代烯烴、氟代芳烴等。油類：水面漂浮油類及 有機(jī)污染物。許多無機(jī)物在TiO2表

13、面也具有光化學(xué)活性，早在1977年就有科學(xué)研究人員用TiO2懸浮粉末光解Cr2O72-， 將其還原為Cr3+。 利用二氧化鈦催化劑的強(qiáng)氧化還原能力，可以將污水中汞、銘、鉛、以及氧化物等降解為無毒物質(zhì)。TiO2光催化劑能將CN-氧化為OCN-,再進(jìn)一步反應(yīng) 生成CO2、N2和NO3-的過程，如TiO2光催化法從Au(CN)4中還原Au,同時(shí)氧化CN-為NH3和 CO2的過程，二氧化鈦光催化用于電鍍工業(yè)廢水的處理，不僅能還原鍍液中的貴金屬，而且還能消除鍍液中氰化物對(duì)環(huán)境的污染，是一種有實(shí)用價(jià)值的處理方法。在保潔除菌方面的研究，Matsunaga在1958年首先發(fā)現(xiàn)二氧化鈦(TiO?)在金鹵燈照射下

14、，能有效殺滅乳干嗜酸菌、酵母菌和大腸桿菌等細(xì)菌。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，在光催化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高氧化性羥基自由基(OH),可有效破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和凝固病毒的蛋白質(zhì)，從而滅活它們。并且，這種殺菌效果幾乎是無選擇性的，包括各種細(xì)菌和病毒。因此，從 20 世紀(jì) 90 年代以來，日本在其實(shí)施的環(huán)境空氣惡臭管理法的推動(dòng)下，大力開展大氣除臭、凈化、防污、抗菌、防霉、防霧等工作。與此同時(shí)，日本學(xué)者Fujishima等人研究發(fā)現(xiàn)在玻璃、陶瓷表面涂上一層TiO2 透明薄膜，經(jīng)光照后，表面具有滅菌、除臭和防污自潔功能，從而開辟了光催化劑薄膜功能材料研究這一新領(lǐng)域。3.1. 室內(nèi)有害揮發(fā)性有機(jī)物的治理隨著物質(zhì)生活的提高

15、，居室裝修和家用電器、家具的大量使用，室內(nèi)揮發(fā)性有害有機(jī)化合物(Volatile organic compounds ,VOCS)的釋放源在不斷的增多，人類進(jìn)入到以 室內(nèi)空氣污染 ”為標(biāo)志的第三污染時(shí)期，室內(nèi)空氣污染已被列為全球四個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境問題之一。室內(nèi) VOCs 的危害大，許多慢性疾病的高發(fā)與之相關(guān)，而VOCs 成分復(fù)雜且難以分離，以往以除塵為主的空氣凈化手段不能給予有效的治理，開展室內(nèi)VOCs 的新的治理方法研究必將成為預(yù)防醫(yī)學(xué)新的熱點(diǎn)。噴涂在材質(zhì)表面的納米TiO2,在紫外線的照射下能轉(zhuǎn)化空氣中VOCso實(shí)際上，經(jīng)普通玻璃后，室內(nèi)陽光的紫外線幾乎為零，所以單純的 TiO2轉(zhuǎn)化室內(nèi)空氣中V

16、OCs,需要紫外光源的輔助。隨著摻雜技術(shù)的發(fā)展， TiO2-NCP的激發(fā)波長紅移，使 室內(nèi)VOCs的PCO過程可在可見光下進(jìn)行，TiO2-NCP能有效地分解室內(nèi)醛系物、苯系物、 硫醇、酮類和氮氧化物等VOCs。近幾年來，在眾多的非金屬摻雜方法中，氮摻雜因?yàn)閷?duì)可見光的量子效應(yīng)高、價(jià)格低廉、制備工藝簡單而被研究的最多，N-TiO 2 對(duì)難降解的苯系物的降解效果顯著地高于無摻雜TiO2。N-TiO2在拓寬光催化響應(yīng)波長的同時(shí)，極大地提高了催化活性。前幾年，包括Ag、Cu、Fe、Sn、Cd、Cr等金屬和某些稀土元素?fù)诫s到納米 TiO2中被廣泛研究，并檢驗(yàn)其對(duì) VOCs的降解能力。金屬離子摻雜 TiO2

17、降解VOCs的反應(yīng)速率受溫度，濕度，光的波長和 強(qiáng)度，氧氣濃度，污染物的濃度和催化劑用量等多種因素影響。濕度太大和太小都不利于甲醛的分解，35%是最佳降解濕度；空氣中的氧氣含量越高降解效果越好，使用254 nm光照射優(yōu)于365 nm。從成本和工藝角度考慮，F(xiàn)e離子摻雜更具 實(shí)用價(jià)值，理論上Fe3+替代TiO2八面體晶格中的Ti4+,能拓寬TiO2的可見光響應(yīng)區(qū)間，并 抑制(e-h+)的簡單復(fù)合。摻Fe的納米TiO2,以室內(nèi)甲苯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，甲苯的分解效率明顯 增大。3.2. 飲用水中有機(jī)有害物的深處理隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展所帶來的持續(xù)不斷的污染物排放和急劇增大的富營養(yǎng)化，融入自然水循環(huán)體系中的有害

18、物質(zhì)必將對(duì)人類飲用水的安全造成嚴(yán)重的沖擊。這些有害物質(zhì)包括難降解的永久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants,POPs)涵蓋藍(lán)藻毒素的自然有機(jī) 物(natural organic matters ， NOMs) 、與農(nóng)資相關(guān)的含N 化合物、涉水器材釋放的塑化劑、以及現(xiàn)行水處理的消毒副產(chǎn)物(disinfection By-product, DBPs)等等。而除去水中毒害大 的這些微量有害物質(zhì)，是飲水處理的難題。最近幾年，針對(duì)飲用水中的兩類問題相對(duì)較大的有機(jī)有害物一POPs和NOMs,不少人嘗試采用TiO2-NCP技術(shù)進(jìn)行深處理研究。在全球性的環(huán)境污染指標(biāo)中，PO

19、Ps倍受關(guān)注，自然水循環(huán)體系是 POPs存在的主要場(chǎng) 所之一。水中的POPs危害大、難處理，危險(xiǎn)性在日益增大。目前我國的城市用水、水庫、 江河和湖海都能檢出 POPs,水生生態(tài)系統(tǒng)中有多種 POP的水平處于在全球數(shù)值范圍的高 端；其中河流和沿海水域的多氯聯(lián)苯和滴滴涕已對(duì)當(dāng)?shù)鼐用駱?gòu)成健康風(fēng)險(xiǎn)，所以消除水中POPs的意義很大。吸附/PCO的協(xié)同作用是水中POPs凈化的一個(gè)極為重要的有效且經(jīng)濟(jì)的 手段；在PCO處理中，TiO2-NCP比多相催化臭氧氧化、電催化氧化等較為溫和且零”廢物 產(chǎn)生 , 雖然目前很多研究還停留在實(shí)驗(yàn)室水平，但卻展示出了巨大的應(yīng)用潛力。TiO2-NCP的PCO甚至能分解掉難分解

20、的POPs中間產(chǎn)物，如苯酚、氯苯和甲苯等。負(fù)載在玻璃上的 納米二氧化鈦薄膜光催化反應(yīng)器，對(duì)微量有機(jī)污染物的處理，在23 小時(shí)內(nèi)，總有機(jī)污染物的去除率達(dá)到45 63；光催化過程?OH 的生成量與有機(jī)物的去除效率呈正相關(guān)；在諸多影響因素中，光照強(qiáng)度溶解性有機(jī)碳含量反應(yīng)時(shí)間 pH 值。隨著水循環(huán)體系富營養(yǎng)化的加大，NOMs 的危害逐步凸顯出來，它們對(duì)水質(zhì)的沖擊不僅造成顏色、味道和氣味異常，而且水處理時(shí)，增加混凝劑和消毒劑的劑量勢(shì)必增加有害消毒副產(chǎn)物的形成；更為嚴(yán)重的是 NOMs還能促進(jìn)微生物如藻類的生長，釋放易溶于水 的諸如環(huán)肽和生物堿等天然毒素；通過螯合作用，增大重金屬和有機(jī)污染物在水中的溶 解性

21、。近年來，世界各地的水質(zhì)報(bào)告顯示，地表水中NOMs 的水平持續(xù)增長，已對(duì)飲用水的凈化起到了負(fù)面影響。就水體中存在最廣泛的NOMs 腐殖酸而言，不僅在水廠加氯過程中極易形成消毒副產(chǎn)品 鹵代烴類致癌物質(zhì)，而且是導(dǎo)致大骨節(jié)病的主要環(huán)境因素之一。Ag-TiO”磷灰石/AI2O3復(fù)合膜用于水處理中，通過過濾和光催化降解的協(xié)同效應(yīng)，能有效的除去腐殖酸和痕量級(jí)的有機(jī)污染物，研究表明腐殖酸的去除效果與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)。另外，遍布于全球水體中的藍(lán)藻被認(rèn)為是一個(gè)重要的水質(zhì)問題，不可預(yù)測(cè)的某種條件下可以產(chǎn)生藻毒素(microcystins, MCs),全球有多個(gè)因水中 MCs導(dǎo)致野生和家養(yǎng)動(dòng)物中毒以及危害居民健康的

22、報(bào)告。MCs 作為自然環(huán)肽物質(zhì)易溶于水,很難被一般水處理方法消除。氮摻雜TiO2光觸媒降解MCs在可見光照下，P25幾乎沒有效果，氮摻雜TiO2則仍能有效 地分解MCs,且總有機(jī)碳和MCs能被完全礦物化。飲用水的安全是不亞于食品安全的公共衛(wèi)生問題，不斷惡化的水循環(huán)體系以及所含的有機(jī)有害物的復(fù)雜性和不確定性，需要使用廣泛適用且環(huán)境友好的處理方法，TiO2-NCP 有望在這方面發(fā)揮更大的作用。3.3. 抑菌滅菌及在不同場(chǎng)所的消毒TiO2受光激發(fā)后，通過PCO過程破壞細(xì)菌、真菌抱子和骯病毒的 DNA,具有極強(qiáng)的的殺菌、除臭和防霉等作用。微生物對(duì)光催化的敏感程度依次為：病毒革蘭氏陰性菌和陽性細(xì)菌芽抱桿

23、菌 酵母菌絲狀真菌；微生物的PCO滅活機(jī)制有：光生(e-h+)直接破壞微生 物的細(xì)胞壁、膜或其它組成成分；光生(e-h+)的溶氧反應(yīng)，形成氧化能力很強(qiáng)的自由基等， 穿透菌類的細(xì)胞壁進(jìn)入菌體,阻止成膜物質(zhì)的傳輸,阻斷其呼吸和傳輸系統(tǒng),使微生物失活；光催化氧化分解空氣或介質(zhì)表面的有機(jī)物,切斷有機(jī)物營養(yǎng)源,抑制微生物的繁殖。雖然納米TiO2理論上在紫外線輻射情況下，在一定溫度和濕度下，能通過 PCO反應(yīng)殺滅空氣中的微生物，但由于輔助條件苛刻、反應(yīng)緩慢，并不被消毒工作者認(rèn)可。但隨著TiO2-NCP 材料的發(fā)展，PCO的過程可在溫和條件下快速地使微生物失活。就水體消毒而言，由于受水體的富營養(yǎng)化的沖擊，水

24、生微生物的大量繁殖對(duì)飲用水的消毒處理越來越艱難，不斷增加化學(xué)消毒品的使用劑量或者增大紫外輻射所產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)品(disinfection By-product, DBPs)又帶來了新的公眾健康的問題，既要從微生物角度 保證飲水安全，又要減少 DBPs的產(chǎn)生，這對(duì)飲用水處理是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。納米光催化，特別是 TiO2-NCP 作為適合范圍廣且操作安全、環(huán)境友好的材料用于水的滅菌消毒研究，較早受到關(guān)注。將這種不僅能處理掉有害化學(xué)物質(zhì)，而且在可見光下能持久的殺滅水體中微生物的特殊氧化處理過程稱為超氧化( Advanced Oxidation Processe，sAOP) ， 認(rèn)為 TiO2-NCP

25、用于水的AOP 處理，是未來水處理的發(fā)展趨勢(shì)。純粹的TiO2需要紫外線的協(xié)助，且作用緩慢，所以作為器材消毒并不被認(rèn)可，而隨著TiO2-NCP 對(duì)可見光利用的量子效應(yīng)的增大，作為器皿表面“自清潔 ”的能力，引起人們的極大興致。這種 自清潔”醫(yī)療器材的特點(diǎn)是只要有可見光存在，就能產(chǎn)生作用；光觸媒 本身并不隨時(shí)間延長而消耗，使用壽命持久；零廢物，光觸媒在殺滅微生物的同時(shí)還消除 了微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物。為應(yīng)對(duì)暴發(fā)性傳染病和降低獲得性感染的發(fā)病率，尋求新型的消毒方法為目的，系統(tǒng)地開展了光催化對(duì)臨床相關(guān)病源微生物的殺滅和減活。二氧化鈦涂層的表面上大腸埃希氏菌，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，綠膿桿菌，難辨梭狀芽

26、孢桿菌等具有明顯的滅活效果，與僅由紫外線照射使微生物失活的方法比較，呈現(xiàn)非常顯著的差別（P <0.01） 。特別值得關(guān)注的是，2030納米的銀敏化鈦鈾混合金屬氧化物，由于摻雜離子誘導(dǎo)（e-h+）的電荷分離, 強(qiáng)化了 PCO反應(yīng)，特別是銀的協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)了表面等離子體共振，在催化劑的混合相產(chǎn) 生電荷陷阱，使得光響應(yīng)有明顯的紅移現(xiàn)象，所以在可見光下對(duì)致病菌的滅活活性顯著增強(qiáng)。四 .TiO 2的固定化技術(shù)由于粉末狀的納米TiO 2顆粒細(xì)微，在水溶液中易于凝聚、不易沉降，難以回收，活性成分損失大，不利于再生和再利用。將TiO2固定化既可以解決催化劑分離 回收困難的問題,還可以克服懸浮相催化劑穩(wěn)定性

27、差和容易中毒的缺點(diǎn)，也是應(yīng)用活性組分和載體的各種功能的組合來設(shè)計(jì)催化劑反應(yīng)器的理想途徑，納米TiO2薄膜既具有固定催化劑的優(yōu)點(diǎn)，又由于尺寸細(xì)化而具有納米材料的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子限域效應(yīng)等特征，因而有著理論研究和實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。TiO2 光催化劑是通過光催化反應(yīng)使表面的有害物質(zhì)分解的，故須使其表面暴露在外部或能讓欲分解的反應(yīng)物移動(dòng)而易與之接觸。TiO2 光催化劑的應(yīng)用開發(fā)在某種意義上說也就是其固定化技術(shù)的開發(fā)。而固定化技術(shù)的關(guān)鍵在于選擇適宜的載體與合適的固定化方法。在光催化劑載體的選擇上，不僅要求光催化劑載體除了要具有一般載體所要求的穩(wěn)定性、高強(qiáng)性、低價(jià)格和大比表面積

28、外，更重要的一點(diǎn)是，附著在載體上的催化劑能夠盡可能多的被光照射而激活以發(fā)揮催化劑的作用。目前，光催化劑載體主要有兩大類:無機(jī)載體和有機(jī)載體。無機(jī)載體主要是以含硅物質(zhì)為基質(zhì)，具有極好的耐熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在燒結(jié)過程中基質(zhì)與催化劑顆粒間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的粘結(jié)力。研究表明納米TiO 2光催化材料固定后，由于界面離子擴(kuò)散作用，若選擇的載體合適，就可以與 TiO2產(chǎn)生協(xié)同作用，有利于反應(yīng)物在 TiO2表面吸附，增 強(qiáng) TiO 2光催化效果。一般而言，光催化薄膜通常涂覆在平面上，如蜂窩板、三維（3D）泡沫陶瓷板等多孔性材料對(duì)氣體、液體通過具有非常好的流體性質(zhì), 因此以它作為涂覆的基體。這種泡沫陶瓷具有3D多孔結(jié)構(gòu)，多種孔密度、比表面積和化學(xué)性質(zhì)。3D多孔泡沫陶瓷的床層空隙率較高，因此使用時(shí)壓降較低，且不像蜂窩陶瓷，它具有復(fù)雜多變的孔結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)流體的擾動(dòng)和混合。另外，3D多孔泡沫陶瓷的開發(fā)多孔和網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)使得在催化體系具有非常好的流體動(dòng)力 學(xué)性質(zhì)，催化劑表面和氣體、液體反應(yīng)物有充分的接觸.多孔材料在液相或