国内流行的“光触媒标准”之我见

国内流行的“光触媒标准”之我见
刘玉付 博士

如何衡量一个光触媒产品的优劣，不仅是科研人员的科研课题，同时渐渐成为一般消费者、商家和有关产品检验机构关心的问题。遗憾的是目前尚无光触媒产品通行的国际和国家的强制性标准，一般消费者只能有赖商家和产品检验机构及互联网等提供的有限的产品信息和技术指标进行比较。国内的一些网站上、个别公司的宣传资料里，经常能看到光触媒的各种标准，其名称也有很多，诸如 “如何识别真假光触媒”、“光触媒的简易判别方法”等等不一而足，对如何从颜色、气味等直观指标上给出认定指南，比如含酒精味等有机气味不是光触媒，金黄色的是优质产品其他颜色不是等等，对酸碱度的数值也有具体指标。这些判定标准的目的和出发点具有积极意义，希望有助于人们认识了解光触媒，希望能推广光触媒这样的新产品。
可是我们也必须看到这些标准（或称之为信息、资料、宣传等等）的局限性。光触媒历经几十年的发展，经过无数国内外科学家夜以继日地努力，造就出浩瀚的光触媒知识大海，从这里又孕育出诸多技术、技术流派和产品。类似的标准或者因为缺少研发手段、或者因为接触信息有限、或者为一己之利炒作概念，有意无意中误导了消费者，导致不少人对光触媒的颗粒大小、颜色、气味与理化指标、性能指标等方面产生误解。这反倒不利于促进光触媒行业的健康发展，不利于保护消费者的利益。本文为普及本领域的科技知识，针对这些标准里经常使用的直观指标，比如颜色、气味等外观作一定的分析，以更进一步帮助我们从多方面地认识了解光触媒，毕竟光触媒与其涉及的纳米技术的应用历史都还很短。
需要声明的是，虽然光触媒远远不仅有二氧化钛，但是考虑到二氧化钛是目前实用最广的光触媒，本文仅仅限于二氧化钛为基础的光触媒产品和技术；同时光触媒产品众多，这里以光触媒喷剂为分析对象；另外，本文以普及本行业的知识为目的，尽量避免使用复杂技术术语，其详细内容另行在专业刊物发表。

（一） TiO2光触媒的多种渠道
制备TiO2光触媒可由金属钛、无机钛金属化合物和有机Ti化合物出发。无机物中有：二氧化钛、钛的氯化物（三氯化钛、四氯化钛）、硝酸化合物（TiO(NO3)2）、硫酸化合物（TiOSO4）、氟钛酸（H2TiF6）等。钛金属有机化合物种类繁多，这更使得光触媒的渠道丰富多彩。以Ti（OR）4（R表示有机物）的结构为代表的钛金属有机化合物可以因为R含碳元素的数量产生多种多样的加水分解的反应。R中的碳元素约为4时，钛金属有机化合物的加水分解的反应非常快，以致和空气中的水分直接反应。钛金属有机化合物还有一般式为Ti(OR)n (X)4-n，其中X表示O元素配位体，与Ti(OR１)n (OCOR２)4-n等的多种物质。
　以上含钛物质的存在形态可以是固态（金属钛和二氧化钛）和液态（其他多种化合物）。因为这些可以形成二氧化钛的前驱体多种多样，传统的制膜工艺如化学气相沉积法、液相沉积法、溶胶凝胶法、原子层沉积法、物理溅射法等化学和物理制备方法原则上都可以利用。这样就使得TiO2光触媒的利用手段和应用技术非常丰富多彩。
　我们在这里仅对两种应用很普遍的TiO2光触媒喷剂的制作工艺作简单探讨。第一种从二氧化钛固体颗粒出发，经过二氧化钛的分散，再通过加入粘结剂，可以制取光触媒喷剂。这一工艺具有生产效率高、污染少，可以直接得到结晶程度很好的TiO2光触媒，粘结强度可以调整等优点。这一工艺的核心是开发二氧化钛的分散技术，如果二氧化钛的分散问题解决不当，最后会导致光触媒喷剂产品光触媒活性低、容易沉淀。
　第二种是日本佐贺县釉业技术中心的H. Ichinose博士开发的技术。Ichinose博士从四氯化钛出发，经过加水稀释、加氨水，再经过多次阴阳离子交换，最后再经过大约6小时、加热大约90度以上的过程，最后可以制取含有锐钛型二氧化钛的水性溶液。Ichinose博士在一连串的研究中，先后发表日文、英文论文多篇，并申请日本专利多项。因为在中国国内不受知识产权的影响，笔者注意到国内多家企业使用Ichinose博士的技术或与其大同小异的技术。该技术有很多独到之处：在得到含有锐钛型二氧化钛纳米颗粒水性溶液前，先制得Ti的高分子化合物的水性溶液，最后在加热过程中，一部分Ti高分子化合物转化成锐钛型二氧化钛；含有锐钛型二氧化钛的水性溶液pH值接近中性，溶液呈浅黄色或金黄色，长期稳定；可以常温成膜；因为直接从胶体转换而成，所以不需要分散剂。我们还须留意的是，这一工艺过程消耗大量的水，阴阳离子的再生利用所产生的废水中含有大量氯等离子，若不适当处理，势必造成污染；在透明性要求高的玻璃、铝塑板等物体的表面容易形成云雾状状斑点。
　 结合以上介绍，让我们来看看“如何识别真假光触媒”、“光触媒的简易判别方法”这些宣传是否科学。

1、光触媒与酒精味
　 光触媒的主要组成成分有3大类：能形成良好TiO2结晶的成分、粘结剂、溶剂。如果可以加热成膜，没有粘结剂也可以，但是溶剂还是需要的，溶剂是为了镀膜，镀膜过程中溶剂挥发。以Ichinose博士的技术为基础的产品，因为溶剂仅仅是水，溶剂只有水，所以没有味道。但这只是光触媒的一种。
为了保证粘结强度，光触媒喷剂里需要粘结剂。有些粘结剂的配制过程需要添加酒精或其他有机溶剂，添加酒精或其他有机溶剂是为了控制（降低）的反应速度，是为保证粘结剂的质量。这和光触媒的真假没有关系。重要的是粘结剂的比例问题，如何使用最少的粘结剂还能保证高的粘结强度、保证光触媒的高活性。
还有另外一种需要使用酒精等溶剂。如上所述，有些能形成TiO2成分的前驱体和水直接反应时，反应速度非常快，无法控制，立即形成沉淀。为了控制反应速度，不形成沉淀，需要先把前驱体溶解到酒精等溶剂里，然后再加水。
实际上，有气味的光触媒在日本是一大系列产品。在光触媒的应用历史上做出很大贡献的日本公司，如东陶机器株式会社（TOTO）、石原产业株式会社等等都出售有气味的光触媒的系列产品。
　 从上面的分析可以看出，根据是否含有酒精、是否有气味来判定真假光触媒是不科学的。

2、光触媒与粘结剂
以Ichinose博士的技术为基础的产品看似没有粘结剂，实际上这种产品本身就是无机高分子胶体+光触媒的混合体。这可以从以上制作工艺过程得知。这种水性光触媒制作过程中首先得到的是无机高分子胶体，然后通过再加工，一部分无机高分子胶体转变成光触媒，剩余的无机高分子胶体就是粘结剂，起增加粘结强度的作用。

3、光触媒与分散剂
笔者接触一些国内的宣传，发现很多人对光触媒的分散和分散剂的使用存在不少错误认识。比如有人说，先进的分散技术是采用调整纳米颗粒Zeta电位的方法，稳定分散纳米光触媒产品，这就带来了PH值的上升。但是如何调整Zeta电位？Zeta电位不是独立的参数，经常使用的方法是调整pH值或者改变溶液（换成水或其他有机溶液）等等来调整Zeta电位。还有一种错误认识是，PH=7的产品一般有很浓的醇的味道，含有大量的表面活性剂，对环境是有害的。实际上，不管有无表面活性剂，不管是否使用醇类，TiO2都能分散得很好，纯水就可以使很好的溶剂！
从国外的分散实践来看，分散剂种类多样，水性环保的分散剂大量用于半导体、涂料、液晶、印刷等行业。和我们日常生活密切相关的化妆品、大量的食品、洗发用品等等在制作过程中都离不开分散剂，所以根据是否使用分散剂来判定二氧化钛光触媒的优劣是不合理的。

（二） 光触媒的颜色与光触媒标准
关于光触媒产品，目前尚无国家或国际标准。日本由有关科研单位、民间相关厂商等组成了一个自主性机构 — 光触媒产品技术协议会，制定并公布了相关产品性能实验方法和性能评价标准。依据该协会制定的产品检验标准，被认定有效的光触媒制品技术必须同时满足以下两个条件：
i. 有机颜料（次甲基兰）的分解试验
把次甲基兰滴到涂有光触媒产品的器皿上，甲基兰必须变色或褪色。
ii. 乙醛的分解试验
在一定光照条件下，有害气体（乙醛）的减少量（被分解量）必须达到一定标准。光触媒产品须能去除有害气体的70%以上。
　 从这里我们可以看出，这一标准的实质是判定是否能分解有机物，跟有无酒精味和颜色没有任何关系。因为有机钛化合物多种多样，光触媒的颜色可以多种多样。有一些可以在加水分解成为红色的二氧化钛的前驱体。这种前驱体同样加热形成TiO2光触媒。

（三） 结束语
光触媒不论从原理的发现还是到各种实际应用，日本一直走在前列。笔者在日本学习工作多年，接触过很多学术界和产业家的科技专家，在日本从来没有见到过公开的类似于“如何识别真假光触媒”、“光触媒的简易判别方法”这方面的宣传或信息。国内之所以出现这种现象，可以说是和国情有关。国内社会诚信不足，炒作时有发生，这也许是产生以上各种标准的社会原因。
对此我们需要有清醒的认识：这些所谓的判别标准都是擅自制定的，大多缺乏科学依据，以偏概全，让人联想起“盲人摸象”这一古老的故事在今天在光触媒这个行业还在发生。日本制定的光触媒产品技术协议会标准花费数年之久，召集学术界和产业界的专家讨论，多方面论证，最后成立具有一定公信力的协会，由协会认可执行。相比之下，国内那些擅自制定的光触媒判定标准可能只需要几小时就能完成。