空气环境安全是人类赖以生存的根本保证之一。近年来，我国雾霾、酸雨等区域性大气污染问题日益突出，严重威胁群众健康，影响空气环境安全。调查显示，世界上污染最严重的10 个城市有7 个在中国，全国500 个城市中，空气质量达到世界卫生组织推荐标准的不足5 个，经济发达地区（如华北、长江中下游和华南地区）污染趋势增加，且存在持续时间长、范围广、影响大、污染重等特点。研究表明，空气环境污染物含有高毒、持久、生物积累性和远距离迁移性的物质，能累积持久存在于环境中，对人类健康造成持久的伤害。因此，治理空气污染已成为我国的重大民生问题。

对于室内空气质量的研究基本上始于1962 年，丹麦奥尔胡斯大学成立的“室内气候研究组”（Indoor Climate Research Group，ICRG），经过50 余年的发展，目前世界上主要国家和地区都有大量的研究人员及机构从事相关领域的研究，该领域涉及化学、材料、环境、建筑等多个学科，也是基础研究与实践应用紧密结合的中心点。研究关注的重点也由最初的热舒适性、湿度等基本性质，转移到环境相关的化学物质上，由二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等外源性污染物，向挥发性有机污染物（volatile organic compounds，VOCs）半挥发性有机物（semi-volatile organic compounds，SVOCs）、异味物质以及这些物质在室内的化学反应、二次污染物（如细微颗粒物）等领域扩展。

与此同时，研究关注的场所也由普通的居室空间，向办公室、商城、体育馆、地下停车场等人员更密集、空气组成更复杂的空间延伸，由此也暴露出除上述问题外，如运动场馆消毒剂残留污染物、地下停车场氮硫氧化物、潜艇和空间站等密闭空间空气净化等一系列更为复杂的问题。同时，从国防安全的角度出发，如何安全、高效地处理一些高毒性气体，也是保证国家安全迫切需要解决的问题。这些问题不仅仅对现有分析手段提出了新的要求，也对空气净化技术提出了全新的挑战。

光化学净化研究现状及进展

活性炭吸附是目前常用的室内空气净化技术，该技术是依靠吸附材料巨大的比表面积，吸附处理有害气体，常用的吸附剂有颗粒活性炭、活性碳纤维、凹凸棒和分子筛混合物等，其中又以颗粒活性炭和活性碳纤维最常用。这种固体吸附方法主要是静态的吸附作用，净化有害气体的效果不太明显，因此，仅能用于小范围，如抽屉、柜子等。另外，这个吸附作用是一种可逆的物理作用，吸附饱和后就会原位释放，反而造成更大的二次污染。如何让活性炭、活性碳纤维等与纳米催化活性材料结合，使吸附的有害物质在吸附剂表面发生不可逆降解反应，从而达到“吸附-降解-消除”的效果，成为目前有效处理室内环境污染的一个重要研究方向。

光催化技术在室内空气净化方面有着独特的优势，它是一种始于20 世纪80 年代的高级氧化技术，无需任何其他化学试剂，无二次污染，可以在常温常压和光照的条件下，无需二次能源，直接将饱和烷烃、烯烃、卤代烃、芳烃、醇、醛、酮等挥发性有机污染物催化降解为二氧化碳和水或其他无机、安全的形式。

光催化技术净化室内空气具有高效、无毒无害、成本低等优势。不仅如此，光催化空气净化技术的研究目标，也由传统的室内污染物，向结构更复杂、毒性更高的化学毒物，如糜烂性毒剂（芥子气等）、神经性毒剂（沙林、维埃克斯等）拓展。研究表明光催化剂可以以较高的反应活性和量子效率，实现快速矿化、降解毒物分子，反应生成的挥发性产物基本无毒。因此，光催化空气净化技术已经成为研究热点，具有在今后的日常生活、工业生产、国防战争中发挥重要作用的前景。

1、可用于空气净化的光催化材料种类大大丰富

经过40 余年的发展，半导体光催化剂材料的研究得到了长足的进步，材料种类大大丰富，由传统的无机TiO₂发展到Bi 系含氧酸盐、Fe₂O₃、ZnO、ZnS、CdS等其他半导体无机金属化合物，再到g-C₃N₄、高分子聚合物等不含金属的光催化材料，直至当前的苝酰亚胺等纯有机半导体光催化材料；由一元光催化剂到二元/多元复合光催化剂；由单紫外光响应的光催化剂发展到可见光甚至全光谱响应的光催化剂；由单一功能光催化剂发展到多功能光催化剂。可以预见，在未来很长一段时间内，对于新型光催化剂的设计与研发，依然是该领域的研究热点。新材料的发展，也势必带动相关应用领域的进步。

具体而言，作为目前研究最为深入、使用最为广泛、催化活性最高的光催化剂，TiO₂ 在光照下可以有效氧化或还原表面吸附的VOCs 等气体污染物，把它们转化为低分子量的产物。例如，Sang 等利用纳米TiO₂ 光催化剂降解了可挥发性溶剂甲苯、甲醇、三氯乙烯等；Kang 等在254 nm 紫外光下，以500 mL/min 的O₂ 吹泡速率，进行氯仿的催化降解实验；Twigg 等证实大量的短链烷烃可被TiO₂ 完全催化氧化为CO₂ 和H₂O；Li 等研究了多种羰基化合物在TiO₂ 表面的反应行为，同时建立了TiO₂ 表面VOCs 的降解机理等；挥发性有机酸，如甲酸、乙酸等是目前VOCs 的主要来源之一，研究表明，在有氧气存在下，TiO₂ 也可将该类物质光催化分解为CO₂ 和H₂O；对于芳香烃类物质，以甲苯为例，大量研究表明在经过苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸等中间氧化产物后，甲苯最终也可被TiO₂ 完全催化氧化为CO₂ 和H₂O。基于我国室内装修材料甲醛及其他VOCs 释放量较大的现状，以TiO₂ 为主体的各类光催化空气净化剂，近年来有着巨大的市场。另外，主要来自化石燃料燃烧所释放的氮氧化物，除了造成威胁人类健康的城市环境问题外，也是光化学污染的主要元凶，因此，对于氮氧化物的去除也十分重要。Zhang 等在大面积的流动体系中研究了TiO₂ 光催化降解NO 的过程，给出了最适宜的反应条件；Brouwers 等的研究也表明，TiO₂ 在空气中氮氧化物去除方面，具有巨大的潜力，在光照条件下，TiO₂ 可将空气中的氮氧化物催化氧化为硝酸根离子，实现减排和消毒。这种方法可以有效解决汽车密集度高的封闭环境（如地下停车场）中的空气净化问题以及降低城市道路上方空气中的NO_x 和VOCs 的浓度。

为了突破TiO₂ 自身的许多缺陷，对于非TiO₂ 光催化剂的探索也在同步进行，钽铌钙钛矿结构光催化材料是研究关注的一类材料，Kudo 等发现的新型钽酸盐光催化剂以及邹志刚等研究的InTaO₄ 可见光催化剂体系成为光催化研究领域内新的热点。这些新型的钽铌化合物光催化剂一般具有ABO₃ 的钙钛矿结构，与传统的TiO₂ 光催化剂相比，无论是阳离子还是阴离子均具有更大的结构容忍度，可以较大程度地调控光催化剂的结构和性能，从而提供较好的光催化活性，特别是其中的碱金属、碱土金属钽酸盐复合氧化物，如NaTaO₃、Ba₅Ta₄O₁₅等，都表现出较好的甲醛降解性能。

另一类研究热点则集中在钨钼钒系光催化材料，而该类钨酸盐都具有一个共同点：具有层状的钙钛矿结构，因其特有的结构和物理化学性质，也表现出良好的光催化性能。2006 年Finlayson 等报道了Bi₆WO₁₂ 在波长大于440 nm 的可见光下具有较好的活性。进一步的研究表明，Bi₂WO₁₂、Bi₂W₂O₉、Ag₂WO₄等都具有较好的可见光活性。由于钨和钼两元素在周期表中是同一族，具有一定的相似性，因此Bi₂MoO₆与Bi₂WO₆ 有着几乎相同的性质。已有研究报道证实，这种具有层状结构的多元氧化物往往具有较高的光催化活性，光量子效率甚至高于TiO₂。此外，也有大量报道指出部分金属氧化物（如ZnO、Fe₂O₃、CuO、Bi₂O₃ 等）、金属硫化物（如ZnS、CdS 等）、金属卤氧化物（如BiOCl、BiOBr、BiOI等）均有较好的光催化性能，但其目前在室内空气净化相关领域的应用研究还较少。

目前，石墨烯结构氮化碳（g-C₃N₄）是另一类热门的新型可见光非金属光催化剂，无论是在环境污染物治理，还是清洁能源生产，都有巨大的应用前景，而且目前已经实现了部分商业化应用。Dong 等报道了g-C₃N₄ 在光催化氧化氮氧化合物方面的性能，并通过实验探明了其氧化机理；Dong 等通过复合有机化合物的方法，进一步提高了g-C₃N₄ 在NO 氧化方面的能力；朱永法等报道了形貌改性后的多孔g-C₃N₄ 对于污染物的降解能力的大幅度提升。在这些大量研究工作的基础上，人们继续进行了各种努力，如过渡金属掺杂、半导体复合、形貌调控等，以进一步提高g-C₃N₄ 的光催化活性，使其满足大规模实际应用的要求。更进一步，朱永法等报道了纯有机苝酰亚胺超分子自组装纳米线光催化材料，利用π-π 堆积形成快速的电子传输通道，显著增加了空穴-电子分离程度，提高了光催化活性。相比于传统的无机金属光催化剂和g-C₃N₄，有机半导体光催化材料易于设计，能带结构便于调控，氧化矿化能力强，对目标污染物分子可以定向性合成等优势使其在未来的环境污染物光催化治理中占有一席之地。

相比于单一晶形的TiO₂，锐钛矿和金红石异质结复合而成的商品化Degussa P25-TiO₂ 具有更高的活性，也由此引起了研究者对于多元复合光催化剂的兴趣。在此思路的启发下，为了解决活性不高、光谱响应窄等问题，大量二元、三元甚至多元光催化剂被研制出来。由于复合半导体具有两种或多种不同能级的价带和导带，在光激发下电子和空穴分别迁移至一种材料的导带和复合材料的价带，从而使光生载流子有效分离或产生新的催化性能。复合半导体可分为半导体-绝缘体复合及半导体-半导体复合。绝缘体（如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂ 等）大多起载体作用，TiO₂ 负载于适当的载体后，可获得较大的比表面积和合适的孔结构，并具有一定的机械强度，以便在各种反应床上应用。复合半导体的互补性质能增强电荷分离，抑制电子-空穴的复合和扩展光致激发波长范围，从而显示了比单一半导体具有更好的稳定性和催化活性。

总而言之，随着研究的进一步深入，性能优良的光催化材料已经被逐步开发出来，部分性能突出的材料如P25-TiO₂、g-C₃N₄ 甚至已经走向了市场化，在空气污染物净化领域发挥出重要作用。有理由相信，在可以预见的未来，必将会有越来越多性能更为优异的、环境相容性更好的光催化空气污染物治理材料问世。

2、多种原理技术实现光催化材料能效大幅提高

虽然，目前已经有大量的光催化材料被人类所认识，但是，这些已知的光催化材料或多或少都存在着一些缺陷或问题，亟待科学家去进一步研究解决。例如，对于TiO₂ 类光催化材料，受限于其约3.2 eV 的禁带宽度，对应于约390 nm 的响应阈值波长，只能在能量较高的紫外光下激发，量子效率较低（低于1%），对太阳光全光谱的利用率更低，这一点严重制约着其更自然、更方便地应用。与TiO₂ 类似，ZnO 对于光谱的利用率也相对较低，量子效率低；而其他具有可见光响应性能的无机金属盐、氧化物等光催化材料，在可见光激发下的总体光催化性能则变得较差，很难与TiO₂ 媲美。此外，CdS 还因为毒性较大，催化过程中可能会有Cd 的释放，更无法在环境治理中大规模应用。相比之下，非金属光催化材料虽然易于设计和调控，可以实现可见光甚至全光谱的响应，但是其对光生-电子空穴对的复合作用则较金属氧化物材料更为强烈，同时该类结构往往不够稳定，循环重复性能差，在实际应用中仍有很多困难。如何提高光催化剂量子效率和稳定性，促进该技术在经济上、环境相容性上能被人们所接受，同样也成了世界范围内的科学工作者的研究兴趣。经过科学家长期的努力和钻研，目前对于光催化材料能效提高的主要思路，主要集中在离子掺杂、染料敏化、半导体异质结复合、结构和形貌调控等方面。

离子掺杂是利用物理或化学方法，将离子引入催化剂晶格内部，从而在其晶格中引入新电荷，形成缺陷或改变晶格类型，影响了光生电子和空穴的复合或改变了半导体的能带结构，最终促使光催化材料的光催化活性发生改变。

染料敏化技术则主要是利用TiO₂ 等无机光催化材料对光活性物质的强吸附作用，添加适当可被可见光激发的光活性敏化剂，吸附于催化剂表面。在可见光照射下，吸附态的光活性分子吸收光子后，产生自由电子并注入无机催化材料的导带上，从而拓展了材料的波长响应范围，使之实现利用可见光进行有机污染物的催化降解。结合我国当前的具体国情，纺织印染和染料生产目前在我国的工业结构中依然占有较重要的位置，如果能够充分利用现阶段在染料方面积累的技术，把可能造成环境污染的染料用于光催化剂的敏化，则该方面的研究更具有特殊的意义。目前，文献报道的几种常见敏化剂有无机敏化剂、有机染料、金属有机配合物和复合敏化剂。

除上述两种方法外，半导体的异质结复合也是一种提高光催化剂催化能力的有效手段，在异质结界面处，光生载流子可以发生有效的分离和传输，从而材料的光催化性能得到提高。复合型半导体纳米粒子是指由两种或两种以上物质在纳米尺度上以某种方式结合在一起而构成的复合粒子，复合的结果不仅能有效地调节单一材料的性能，而且往往会产生出许多新的特性。两种不同的半导体复合需要考虑不同半导体的禁带宽度、价带、导带能级位置及晶型的匹配等因素。复合半导体的互补性质能增强电荷分离，抑制电子-空穴的复合和扩展光致激发波长范围，从而比单一半导体具有更好的稳定性和催化活性。

形貌调控是除上述方法外，另一种常见的能效调控手段。从本质上讲，形貌直接决定着催化剂材料的暴露晶面、晶粒尺寸等结构性能：晶面因素会直接影响材料对污染物分子的吸附性能，界面电荷分离能力，不同的晶面，其氧化、还原能力完全不相同；晶粒尺寸，则影响到光生载流子的传输性能，更小的晶粒尺寸，有助于光生载流子由体相向表面传输。

3、光催化净化室内空气的技术和产品的研发

在民用技术方面，福州大学光催化研究所多年来一直致力于光催化净化室内空气的技术和产品的研发，研制开发出多功能光催化空气净化器及其工业生产技术，设计建成了年产30 万台光催化空气净化器的生产线，已投入市场，并开发出室内空气净化器、车用空气净化器、医用空气消毒器等多个系列，可满足各种空间环境的空气净化需求，部分产品还实现了出口。

此外，光催化净化空气工艺灯也是一项基础科研与产业应用相结合背景下开发出的空气净化产品，将光催化技术与装饰性灯具结合在一起，使普通工艺灯赋予光催化净化空气功能，从而实现产品的多功能化。工业生产方面，在“863”项目“高效降解有机污染物的可见光光催化纳米材料的关键技术研究”支持下，科研人员开发出InVO₄/TiO₂、PS/TiO₂、In(OH)_yS_z、N-SiO₂/TiO₂ 等几个系列10 余种可见光激发的高效光催化剂。其中，Pt/TiO_2-xN_x 在400～800 nm可见光作用下对苯的降解率为83%，比标准TiO_2-xN_x 高3～4 倍，而且可以实现年产200 t 的生产规模。

军用技术方面，在与海军有关部门合作下，相关机构成功设计并构建用于舱室密闭空间气体综合净化、催熟剂-乙烯清除与果蔬保鲜的装置样机，目前已作为新一代制式型号装备于2015 年正式列装。该光催化系统装置同等条件下的净化指标明显优于目前海军列装净化器及部分国际商用产品，还可作为密闭空间生命支撑系统的重要组成单元发挥技术优势，该成果获军队科技进步奖一等奖一次。

朱永法等开发了一系列复合纳米薄膜光催化剂（SnO₂/glass、TiO₂/glass、TiO₂/SnO₂/glass、SnO₂/TiO₂/glass），利用SnO₂/TiO₂ 复合半导体之间光生载流子的输运与分离，大大提高了复合光催化剂薄膜对于室内甲醛的气相光催化氧化反应性能。此外，利用加热回流、解胶分散及重结晶的方法，制备了在水溶液中可以稳定分散、纳米晶粒大小为4～8 nm 的TiO₂ 活性溶胶。该溶胶可以稀释后直接喷涂，在固体表面形成活性涂层。由于纳米颗粒比较小，并具有丰富的羟基，很容易在固体表面形成强结合，不会被气流和水流冲刷掉。从而建立了批量生产纳米光催化材料的新工艺，并利用纳米光催化材料研制了适合喷涂的喷剂材料，实现了室内空气的治理。研制的金属丝网基光催化剂可以应用于家庭、医院和公共场所杀菌和空气净化及冷库的保鲜。此外，利用壳聚糖、石墨烯气溶胶及碳气凝胶等构建了三维网络结构复合光催化剂，可以实现对室内低浓度污染物的吸附富集和光催化降解，从而实现对室内空气的持久净化。

《中国学科发展战略·光化学》

中国科学院　编

责任编辑：朱萍萍，李丽娇

北京：科学出版社，2018.1

ISBN：978-7-03-054740-8

“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果，涉及自然科学各学科领域，是目前规模最大的学科发展战略研究项目。

《中国学科发展战略·光化学》全书共有八章，内容涵盖有机光化学、能源光化学、环境光化学、光生物学、光致发光和发光分子材料、光致变色材料、太阳能电池和光驱动分子机器八个分支学科。全书针对各分支学科的特点介绍其研究对象及内容，分析评述了国内外研究现状和发展趋势，并针对我国在这些相关领域的未来发展提出了相关战略建议及措施。

《中国学科发展战略·光化学》适合高层次的战略和管理专家、相关领域的高等院校师生、研究机构的研究人员阅读，是科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的重要指南，也是科技管理部门重要的决策参考，同时也是社会公众了解光化学学科发展现状及趋势的权威读本。

（本期责编：小文）

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