在第20屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)閉幕式上，中國(guó)科協(xié)副主席,、國(guó)際宇航科學(xué)院院士李洪對(duì)外發(fā)布由中國(guó)科協(xié)組織征集遴選的60個(gè)重大科學(xué)問題和重大工程技術(shù)難題,，涉及公共安全、空天科技,、信息科技,、醫(yī)學(xué)健康等12個(gè)領(lǐng)域。李洪說：“這些（問題）代表了我國(guó)科技領(lǐng)域真正的‘硬骨頭’”,。
中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)建材總院）提出的高活性可見光催化材料,，被列入60個(gè)重大科學(xué)難題之一。
高活性可見光催化材料是一種什么樣的材料,，為什么研究該材料,，這種材料研究的科學(xué)問題、技術(shù)難度點(diǎn)在哪,？筆者就此進(jìn)行了深入了解,。
關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大事
“高活性可見光催化材料”是一種利用光催化技術(shù)的原理，在可見光或者LED燈下,，能捕獲有機(jī)污染物,，通過氧化還原反應(yīng)將有機(jī)物完全分解為無污染的CO2和水。這種材料與吸附型的凈化材料有明顯區(qū)別,。
吸附型凈化材料,，只是將污染物吸附到吸附劑中，雖然污染物發(fā)生轉(zhuǎn)移,，但并沒有被分解,，同時(shí)材料飽和后將不再吸附，對(duì)污染物不再具有凈化效果,。高活性可見光催化材料則將污染物通過化學(xué)反應(yīng)分解為無污染的無害物,，達(dá)到降解作用，也不存在吸附飽和問題,，如果材料穩(wěn)定，將會(huì)一直分解有機(jī)物,，起到永久凈化的目的,。
因?yàn)槟苡行コ廴疚铮呋钚钥梢姽獯呋牧涎芯恳渤蔀殛P(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大事,。
目前,，室內(nèi)污染是人類健康的一大殺手。據(jù)流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó),，白血病的自然發(fā)病率約為十萬分之四,，每年新增約4萬名白血病患者，其中40%是兒童,。醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為,，除了家族遺傳，環(huán)境污染應(yīng)是兒童白血病的重要誘因,。
家庭裝修會(huì)帶來室內(nèi)環(huán)境污染,。資料表明，居室中常見的有害物質(zhì),，僅美國(guó)環(huán)保署正式公布的就有189種,，其中危害較大的主要有甲醛、苯系物,、氨,、三氯乙烯和石棉等。
如果將高活性可見光催化材料用于室內(nèi)涂裝材料,，能有效降解室內(nèi)有機(jī)污染物,。
對(duì)建筑外墻，高活性可見光催化材料也能起到清潔以及緩解大氣污染的作用,。
它能將自然界存在的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)反應(yīng)所需的能量,，用于發(fā)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子被激發(fā)成極具氧化力的OH·及O2-自由基離子,，不僅能起到凈化作用,，還能緩解大氣污染，并將能源有效利用,。
水是生命的源泉,，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。
“高活性可見光催化材料”還能用于水污染凈化,，將水體中有機(jī)物包括液相染料,、重金屬等完全降解或無害化?！?中國(guó)建材總院水泥科學(xué)與新型建筑材料研究院環(huán)境材料科學(xué)與工程研究所所長(zhǎng),、博士生導(dǎo)師冀志江教授舉例說，偶氮芳香染料如甲基橙和亞甲基藍(lán),，是造紙,、皮革、化妝品,、藥品和其他工業(yè)中最主要的有毒污染物和合成染料,。直接排放未經(jīng)處理的染料會(huì)毒害水生生物,，并間接影響人類健康。
基礎(chǔ)研究存在三大瓶頸
然而,，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)“高活性可見光催化材料”的認(rèn)識(shí)多局限于基礎(chǔ)研究,。真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的研究成果還比較少，現(xiàn)已成為全人類面臨的一個(gè)急需解決的重大科學(xué)難題,。目前國(guó)內(nèi)外研究存在三大瓶頸：
一是光催化效率有待提高,。光催化效率是評(píng)定一種催化劑性能的重要指標(biāo)之一。光催化效率高就能短時(shí)間內(nèi)將有機(jī)污染物完全降解,，及時(shí)有效地緩解環(huán)境污染問題,。同時(shí)高效率的催化劑可用較少的量發(fā)揮更大的凈化作用。
二是實(shí)現(xiàn)可見光催化難,。普遍的光催化材料在紫外光條件下活性較高,，而在可見光下活性很低，例如大家普遍認(rèn)可的在紫外光下高效的光催化劑——商用P25,，然而紫外光在太陽(yáng)光中僅約占5%,，所以在太陽(yáng)光下，這種催化劑光利用效率很低,，光催化效率也低,，大大限制了它的應(yīng)用。若催化材料在可見光下活性高,，那么在LED燈下就能凈化空氣污染物,，從而室內(nèi)空氣污染問題就迎刃而解。
三是難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),。實(shí)驗(yàn)室研究可以不考慮成本,、能耗、環(huán)保,、穩(wěn)定性等問題,，進(jìn)行了一百次實(shí)驗(yàn)，成功了一次就是成功了,，但只證明了可行性,。在實(shí)際放大生產(chǎn)過程中，制備條件并不能像實(shí)驗(yàn)室條件可控以及穩(wěn)定,，存在很多不可控的因素,，因此開發(fā)一種可行的、穩(wěn)定的制備方法是實(shí)現(xiàn)光催化劑工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問題所在,。同時(shí)工業(yè)化生產(chǎn)中還要考慮成本,、能耗、環(huán)保,、產(chǎn)率、技術(shù)可操作性、穩(wěn)定性等問題,，進(jìn)行了一百次工業(yè)化生產(chǎn),，如果有一次不成功那就是百分之一不合格。
“通過化學(xué)改性的手段,，在TiO2結(jié)構(gòu)中引入金屬,、非金屬來提高其可見光活性，還可開發(fā)一種新型的可見光催化材料,，例如氮化碳（C3N4）光催化材料,，氮化碳是近幾年來新興的非金屬半導(dǎo)體材料，在可見光下可高效降解有機(jī)污染物,。C3N4與TiO2復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)也是一種策略,，既能實(shí)現(xiàn)可見光響應(yīng),，又能改善催化效率。當(dāng)然還有TiO2與石墨烯、碳量子點(diǎn),、鉍系材料復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)催化劑?！奔街窘f,，“在工業(yè)化中真正實(shí)現(xiàn)效果顯著、能夠解決問題的可見光目標(biāo)還未達(dá)到,?！?/p>
雖然目前我國(guó)在基礎(chǔ)研究上做了大量工作，一直推進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn),，但實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用間還是有一定差距,。
“例如，目前大家比較認(rèn)可的明星光催化材料是德固賽P25,，不管是在基礎(chǔ)研究還是工業(yè)化生產(chǎn)方面,，目前我們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)催化劑性能的好壞都是以P25為衡量標(biāo)桿，它具有穩(wěn)定的光催化凈化能力,，也實(shí)現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),。”冀志江同時(shí)提道,，在真正使用上,，P25還是有局限性，比如在催化劑回收再利用方面,，水凈化后要將P25催化劑回收,，由于催化劑的納米尺寸效應(yīng)，很難從水相中回收出固體催化劑,，即使按照現(xiàn)有工藝回收,，也需要很大的成本和精力,。“這就是材料特性和工業(yè)應(yīng)用之間的鴻溝,?！?/p>
正推進(jìn)大工業(yè)級(jí)生產(chǎn)和應(yīng)用
“十三五”期間，中國(guó)建材總院制備高活性光催化材料已取得一定成果,。在可見光響應(yīng)和團(tuán)聚分離方面,，中國(guó)建材總院已取得顯著進(jìn)展。
“一方面,，采用礦物負(fù)載技術(shù)解決了納米TiO2易于團(tuán)聚的問題,，改善了納米催化劑的吸附能力，制備的TiO2/礦物復(fù)合催化材料具有優(yōu)異的可見光凈化性能,。另一方面,，通過調(diào)節(jié)TiO2的形貌或晶面，改善TiO2自身的催化性能,?！奔街窘f，“在基礎(chǔ)研發(fā)過程中,，中國(guó)建材總院分別研究水解沉淀法與溶劑熱法兩種制備工藝及性能優(yōu)化,，從設(shè)備選型、生產(chǎn)環(huán)境影響,、廢氣廢水處理及循環(huán)利用,、經(jīng)濟(jì)效益等角度，對(duì)兩種制備工藝進(jìn)行了全面的可行性分析,，目前在中試化生產(chǎn)階段,，已建成一條中試生產(chǎn)線，材料已經(jīng)在涂裝材料中應(yīng)用,，在這方面我們已有顯著進(jìn)展,。”
他同時(shí)提到,，目前中國(guó)建材總院制備的TiO2/礦物復(fù)合催化材料具有易于固液分離的優(yōu)勢(shì),，解決了回收問題，但在大工業(yè)級(jí)生產(chǎn)和應(yīng)用過程中是否還存在其他難以解決的問題,，有待進(jìn)一步研究和實(shí)踐驗(yàn)證,。
在環(huán)境功能建材的研發(fā)和生產(chǎn)方面，中國(guó)建材總院有著很多的經(jīng)驗(yàn),，例如長(zhǎng)效抗菌防霉劑,、硅藻土高效利用的生態(tài)環(huán)保涂料、電磁波吸收建筑材料,、相變材料的生產(chǎn)等都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,，也得到了許多廠家的認(rèn)可,。“我們也希望憑借這方面的經(jīng)驗(yàn)與優(yōu)勢(shì),，爭(zhēng)取將催化材料更大規(guī)模地應(yīng)用到建材領(lǐng)域,，努力將我們的基礎(chǔ)研發(fā)成果真正轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)?！奔街窘f。
