光觸媒--利用光“瓜分瓦解”污垢和有害物質(zhì)

“光觸媒”是日本開發(fā)的純?nèi)毡井a(chǎn)基礎(chǔ)技術(shù)。只要受到紫外線的照射，從細菌到大氣中的有害物質(zhì)就都能夠分解。其應(yīng)用范圍已經(jīng)拓展到了環(huán)境凈化領(lǐng)域，如生產(chǎn)出了免污墻壁和免污玻璃等。

　　“請比較一下。與普通玻璃相比，光觸媒玻璃顯然非常干凈”。

　　2003年3月，在峻工不久的位于東京汐留地區(qū)的松下電工東京總公司大樓前，該公司新業(yè)務(wù)推進部的涂料業(yè)務(wù)推進部門部長高濱孝一非常得意地指著玻璃窗向記者介紹。的確，從成排的玻璃窗來看，留有前一天大雨痕跡的玻璃和幾乎沒有污點的玻璃形成了鮮明對比。

　　實際上，這一大樓的部分窗戶采用了經(jīng)光觸媒加工的玻璃。這種玻璃受到陽光照射后，就開始分解污垢，下雨時，雨水會將分解的污垢沖洗干凈�？傊@是一種即使不用清洗也不會臟的優(yōu)點玻璃。

　　其優(yōu)點得益于光觸媒的兩大特性的組合運用。首先，如果向使用氧化鈦進行表面加工的材料照射紫外線，就會發(fā)生“氧化分解”反應(yīng)，將附著在表面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系物分解為水和二氧化碳。而且，當大量的水附著于表面時，就會出現(xiàn)親水效果：不會凝聚成水滴、而是薄薄地擴散開。通過這兩種現(xiàn)象，玻璃的污垢會被清洗得一干二凈。

　　光觸媒的這種“自我保潔效果”非常有效，所以近幾年高層建筑物在裝修中相繼采用了這一技術(shù)。2002年9月開業(yè)的東京“丸之內(nèi)大樓”就采用了經(jīng)光觸媒加工的外墻瓷磚。除保潔外，這種瓷磚還可以分解大氣中的有害物質(zhì)--NOx(氮氧化物），其效果相當于200顆楊樹。

純?nèi)毡井a(chǎn)基礎(chǔ)技術(shù)倍受矚目

　　光觸媒是在日本誕生的基礎(chǔ)技術(shù)。

　　光觸媒于1967年被發(fā)現(xiàn)。當時還是研究生的東京大學藤島昭教授在一次試驗中對放入水中的氧化鈦單結(jié)晶進行了光線照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水被分解成了氧和氫。這一效果作為“本多·藤島效果”而聞名于世，該名稱組合了藤島教授和當時他的指導(dǎo)教師----東京工藝大學校長本多健一的名字。由于是借助光的力量促進氧化分解反應(yīng)，因此后來將這一現(xiàn)象中的氧化鈦稱作光觸媒。

　　一開始，這一技術(shù)作為從水中提取氫的劃時代方法受到了矚目，但由于很難在短時間內(nèi)提取大量的氫氣，因此在轟動一時后迅速降溫。但20多年后，這一氧化分解效果再次受到關(guān)注。在東京大學的藤島研究室開始了將氧化分解效果應(yīng)用于除臭方面，九十年代開始與東陶（TOTO）聯(lián)手展開研究。此后，作為平衡菌落瓷磚，東陶推出了光觸媒型產(chǎn)品。

　　光觸媒產(chǎn)品在投入使用之前走過了曲折的道路。

　　這是因為在光觸媒的反應(yīng)中存在“如果照射不到光線就無法產(chǎn)生效果的致命弱點”（東陶綜合研究所材料技術(shù)研究部部長佐伯義光）。為克服這一弱點，技術(shù)人員反復(fù)試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入原本就有殺菌作用的銅及銀后，即使在光線昏暗的場所也可以保持同樣效果。

　　而且，在這一研究中還發(fā)現(xiàn)了水在氧化鈦的表面薄薄擴散的親水性能，并且發(fā)現(xiàn)只要加入硅就可以保持親水效果。通過反復(fù)研究，這一技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴大，連較初的發(fā)現(xiàn)人--藤島教授本人也說“根本沒想到應(yīng)用范圍會如此廣泛”。

納米級別的技術(shù)競爭日趨激烈

　　在開發(fā)應(yīng)用光觸媒反應(yīng)的產(chǎn)品時，如何縮小氧化鈦薄膜的厚度并做涂層處理是其中的一大難題。這一薄膜越厚，催化劑的效果就越高，但如果厚度越薄，越接近于透明，產(chǎn)品的外觀評價就會越高，兩者互相矛盾。

　　成功開發(fā)丸之內(nèi)大樓采用的光觸媒瓷磚的東陶佐伯部長回顧開發(fā)過程時說，“要想同時實現(xiàn)美觀和防污效果，就必須開發(fā)無色透明的薄膜涂層技術(shù)”。在瓷磚上形成薄膜時，向表面涂布包含透明的釉和氧化鈦的液體原料。東陶開發(fā)的技術(shù)是：在大約800度的高溫中燒制瓷磚，并覆蓋厚度200納米（1納米為10億分之1米）的高硬度氧化鈦膜。

　　與松下電工聯(lián)手開發(fā)光觸媒玻璃的日本板硝子對向液體原料加入樹脂的配合比率、氧化鈦膜鍍在玻璃上時的溫度以及時機等細節(jié)上展開了研發(fā)。在此基礎(chǔ)上，為了均勻涂布一定量的液體原料，改進了機械的噴嘴部分，成功地形成了厚100納米的薄膜。

　　該公司玻璃技術(shù)部功能商品技術(shù)部門負責人田中齊介說：“同時實現(xiàn)美觀和耐久性能非常困難，但總算開發(fā)出了預(yù)期效果的產(chǎn)品”。

　　東陶率先投產(chǎn)了光觸媒瓷磚，此后在將這一技術(shù)應(yīng)用于玻璃中時采用了更為嚴格的條件。該公司的目標是，通過玻璃表面的氧化鈦膜防止光的折射。佐伯部長說：“要想在不損害耐久性能及原有效果的同時，防止光的折射及反射，就必須將膜厚控制在20納米以下，并實現(xiàn)均勻涂布”。

　　因此，該公司使用5？10納米的細微氧化鈦粒子開發(fā)出了通過滾軸狀的材料將膜粘帖在玻璃上的薄膜形成法。由此，不僅實現(xiàn)了膜厚目標，而且耐久性能也提高了一倍。佐伯部長表示，“要想進一步提高耐久性能，就必須制作進一步提高氧化鈦粒子密度的薄膜。為了實現(xiàn)這一目標，我們將進一步開發(fā)納米級別的涂層技術(shù)”。

　　目前，這些瓷磚及玻璃的價格要比普通產(chǎn)品高出2成左右。雖然也有人認為“如果考慮墻壁及窗戶的保潔成本，5年左右就可以補回差價”（日本板硝子的部門負責人田中），但是由于尚未完全證實與價格相當?shù)男阅�，因此各公司的客戶并不象想像得那么多�?

　　但是，眾多建材業(yè)界的相關(guān)人士認為，“今后市場肯定會因效果明顯的自我保潔用途而不斷擴大”。

　　據(jù)東陶介紹，目前光觸媒相關(guān)產(chǎn)品的國內(nèi)市場規(guī)模達300億日元（約合金額20億元），正以年均20%的速度增長。該公司的光觸媒相關(guān)產(chǎn)品的年銷售額為100億日元，但計劃“到2005年增長1倍，達到200億日元”（佐伯部長）。

當務(wù)之急是制定性能指標

　　關(guān)于光觸媒，較近人們對“可視光應(yīng)答型光觸媒”表現(xiàn)出了濃厚的興趣。這種光觸媒在室內(nèi)微弱的紫外線下也能發(fā)生反應(yīng)。

　　可視光應(yīng)答型光觸媒是在原有的氧化鈦中采取了促進紫外線吸收的表面處理等措施，即使在室內(nèi)光線下也可以進行反應(yīng)。從2001年開始，已有多家制造商開始投入使用，有的甚至應(yīng)用在了內(nèi)部裝修材料中。這些產(chǎn)品不僅可凈化室內(nèi)空氣，還可清理導(dǎo)致出現(xiàn)辦公室癥候群的有害物質(zhì)-—甲醛。

　　不過，關(guān)于可視光應(yīng)答型催化劑，也有人認為其反應(yīng)水準尚未達到實用水平。松下電工的高濱部長表示，“如果不進一步提高性能，就很難信心十足地向客戶推薦”。東陶也持相同看法，目前正在推進通過組合氧化鈦與在表面鑿有1？10納米的細微洞孔的陶瓷來提高吸收有害物質(zhì)的研究。佐伯部長充滿信心地說，“希望在3年內(nèi)投入使用”。

　　如上所述，在現(xiàn)階段，圍繞光觸媒效果的分歧并不少見。由于沒有一個統(tǒng)一的驗證標準，因此“有的甚至堂而皇之地說在無光線的場所中使用的產(chǎn)品也具有光觸媒效果”（某制造商的技術(shù)人員）。雖然以日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省為中心的部門正在制定統(tǒng)一規(guī)格，但是，在目前情況下用戶只能憑自己的感覺來判斷產(chǎn)品的性能。

　　光觸媒有望使用于環(huán)境凈化用途，比如分解土壤中的有害物質(zhì)或改善河流水質(zhì)等。

　　東陶就有這樣一種構(gòu)想，即通過組合只對特定物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的抗體和氧化鈦，只吸附和分解有害物質(zhì)。佐伯部長說：“如果將組合抗體和氧化鈦的這一催化劑制作成數(shù)百納米左右的膠囊狀產(chǎn)品，就可以使用于水和土壤的凈化用途。可以回收吸附有害物質(zhì)的膠囊，在其它場所進行處理”。

　　針對這種嘗試，藤島教授說，“光觸媒是一種能夠解決環(huán)境問題的潛力巨大的基礎(chǔ)技術(shù)。這一技術(shù)能夠從日本傳播到大部分國家，將是非常自豪的事情”。

　　但是，在象目前這樣沒有統(tǒng)一規(guī)格及指標的情況下，很難充分發(fā)揮這種技術(shù)所具有的可行性。從這一意義上，為了克服存在的問題，眾多企業(yè)盡早構(gòu)筑超越利益的合作關(guān)系是非常重要的。