光催化降解甲醛材料的研究现状与展望

引言

室内空气质量是影响人类健康的重要因素，如今人们大部分时间都在室内度过。挥发性有机化合物（VOC）是室内环境中最常见的污染物，而甲醛是最受关注的 VOC 物种之一。室内甲醛来源于地板材料、吸烟、食物烹饪、室内装饰装修材料、家具和涂料等。IAQ 差会导致人类严重的健康问题和经济损失，因此对甲醛的治理迫在眉睫。目前处理甲醛的方法有通风换气净化方法、物理吸附、化学吸收法、植物吸收净化方法、热破坏法、空气负离子技术、材料封闭技术、光催化技术等，但一般的方法处理效果不佳，且存在二次污染。相比之下，光催化技术几乎能将所有的污染物氧化为无害物，而且不造成二次污染，具有很好的现实意义和研究前景。

光催化降解甲醛的原理

自 1972 年 Fujishima 和 Honda 发现受辐射的 TiO₂表面能发生对水的持续氧化、还原反应的功能以后，半导体多相光催化反应引起了人们很大的关注。以常见的光催化剂 TiO₂为例，其满的价带和空的导带之间的禁带宽度为 3.26eV。在有少量水蒸气的空气中，当 TiO₂受到能量大于其禁带宽度的光照射时，价带中的电子会被激发跃迁到导带，从而在价带产生空穴。这些光生电子和空穴具有很强的氧化还原能力，能够与空气中的氧气、水分子等反应生成具有强氧化性的活性氧物种，如羟基自由基（·OH）和超氧阴离子自由基（·O₂⁻）等。这些活性氧物种可以将甲醛等有机污染物氧化分解为二氧化碳和水等无害物质，从而达到降解甲醛的目的。

常见光催化降解甲醛材料 - 二氧化钛

二氧化钛的优势

在各种用于 VOC 氧化消除的催化剂中，二氧化钛（TiO₂）因具有成本效益高、稳定性和 VOC 降解活性高等优越性，被认为是最合适的光催化剂之一。它无毒、催化活性高、稳定性好以及抗氧化能力强，这些优点使得 TiO₂在光催化降解甲醛领域得到了广泛的研究和应用。

二氧化钛光催化降解甲醛的研究进展

基本原理研究

众多研究围绕 TiO₂光催化降解甲醛的基本原理展开，深入探究了光生电子 - 空穴对的产生、分离和迁移过程，以及活性氧物种的生成和反应机制。通过这些研究，人们对 TiO₂光催化降解甲醛的本质有了更清晰的认识，为进一步提高其光催化性能提供了理论基础。

影响因素研究

影响 TiO₂光催化反应的因素众多，包括光源的种类和强度、反应体系的温度和湿度、催化剂的晶型和粒径、甲醛的初始浓度等。例如，研究发现不同晶型的 TiO₂（如锐钛矿型、金红石型和板钛矿型）具有不同的光催化活性，其中锐钛矿型 TiO₂通常表现出较高的光催化性能。此外，催化剂的粒径越小，比表面积越大，光催化活性也越高。

改性研究

为了提高 TiO₂的光催化活性和可见光响应能力，研究者们对其进行了各种改性研究。常见的改性方法包括掺杂金属和非金属成分、制备 TiO₂复合材料等。例如，掺杂金属离子（如 Fe³⁺、Cu²⁺等）可以改变 TiO₂的电子结构，提高光生电子 - 空穴对的分离效率；掺杂非金属元素（如 N、S 等）可以缩小 TiO₂的禁带宽度，使其能够吸收可见光。制备 TiO₂复合材料（如 TiO₂/石墨烯、TiO₂/碳纳米管等）可以利用复合材料的协同效应，提高光催化性能。

光催化降解甲醛材料的制备与应用

二氧化钛薄膜的制备

以无机盐 TiCl₄和 TiOSO₄为原料，可配制出稳定的溶胶，通过浸涂法在基片上制备 TiO₂薄膜。选用不同的基片，如 Al₂O₃陶瓷基片、普通玻璃基片、硅基片和玻璃纤维布等，分析不同溶胶在不同基体材料上镀膜的润湿性、附着力、表面形貌等性能。综合考虑各种影响因素，探索适合光催化性能的基体材料以及溶胶配制工艺参数。研究结果表明，基体材料的类型、面积、溶胶、光催化剂的负载量、放置情况以及实验状态等因素对降解反应均有很大的影响。例如，在玻璃上涂覆的钛酯薄膜，光催化 4 小时后甲醛降解了 100%。

光催化与其他技术的联合应用

为了提高甲醛的降解效率，研究者们将光催化技术与其他技术联合使用。例如，将光催化和臭氧氧化技术二者联合，以多孔泡沫镍网载体负载纳米二氧化钛为光催化剂，研究甲醛气体的降解。实验结果表明，在甲醛初始浓度较高的条件下，对于不同掺铁比二氧化钛催化剂降解甲醛相互比较，纯二氧化钛的效果最佳；在体系相对湿度为 30％左右，反应 120 min，甲醛降解率最高，可达 80％。在初始浓度相对较低时（600 ～ 2500 mg/m³）范围内，进行光催化降解反应 30 min，其降解率可达 70.3％。光催化和臭氧氧化联合降解甲醛，甲醛降解率随着臭氧量的增大而升高，甲醛几乎完全降解。此外，还有将光催化技术应用于集中空调系统中，研究一种能够适用于集中空调系统的新型管网光催化净化器，以改善室内空气质量。

光催化降解甲醛材料研究面临的挑战

光催化剂的性能有待提高

虽然目前已经有多种光催化材料被用于甲醛降解研究，但大部分光催化剂的光催化活性和可见光响应能力仍有待提高。例如，TiO₂的禁带宽度较大，只能吸收紫外光，而紫外光在太阳光中所占比例较小，这限制了其在实际应用中的效果。此外，光催化剂在使用过程中容易出现光生电子 - 空穴对的复合现象，导致光催化效率降低。

光催化反应条件的优化

光催化反应受到多种因素的影响，如光源的种类和强度、反应体系的温度和湿度、催化剂的用量和粒径等。如何优化这些反应条件，提高光催化降解甲醛的效率，是目前研究面临的一个挑战。例如，在不同的环境条件下，光催化剂的最佳反应条件可能会有所不同，需要进行大量的实验研究来确定。

光催化材料的稳定性和使用寿命

光催化材料在使用过程中可能会受到各种因素的影响，如光照、湿度、污染物的吸附等，导致其稳定性和使用寿命降低。例如，一些光催化剂在长时间使用后会出现活性下降、失活等现象，需要频繁更换催化剂，增加了使用成本。因此，提高光催化材料的稳定性和使用寿命是光催化降解甲醛技术走向实际应用的关键。

光催化降解甲醛材料的研究展望

开发新型光催化材料

未来的研究方向之一是开发新型光催化材料，这些材料应具有更高的光催化活性、更宽的可见光响应范围和更好的稳定性。例如，研究具有窄禁带宽度的半导体材料，如硫化物、氮化物等，以及具有特殊结构和性能的复合材料，如量子点、纳米线等。此外，还可以通过仿生学的方法，开发具有类似植物光合作用功能的光催化材料。

优化光催化反应体系

进一步优化光催化反应体系，提高光催化降解甲醛的效率。例如，采用新型光源，如发光二极管（LED），提高光源的能量利用率和光催化反应的选择性；设计合理的反应器结构，提高光催化剂与甲醛的接触面积和反应效率；研究光催化反应的动力学和机理，为优化反应条件提供理论依据。

加强光催化技术与其他技术的集成

将光催化技术与其他治理甲醛的技术（如吸附技术、等离子体技术等）集成使用，发挥各种技术的优势，提高甲醛的去除效率和效果。例如，先利用吸附材料对甲醛进行富集，然后再通过光催化技术将其降解，这样可以提高光催化反应的效率，减少光催化剂的用量。此外，还可以将光催化技术与智能控制系统相结合，实现对甲醛浓度的实时监测和自动调控，提高室内空气质量的管理水平。

综上所述，光催化降解甲醛材料的研究具有重要的现实意义和广阔的应用前景。虽然目前已经取得了一定的研究成果，但仍面临着诸多挑战。未来需要在开发新型光催化材料、优化光催化反应体系、加强光催化技术与其他技术的集成等方面开展深入研究，以推动光催化降解甲醛技术的实际应用，为改善室内空气质量做出更大的贡献。