Page 67 - 《精细化工》2023年第8期

第 8 期 宋晶璟，等: 光催化涂层净化室内 VOCs 研究进展 ·1681·

法和退火制得纯的 ZnO 纳米线 [24-29] 。溶胶-凝胶法工 反应相比具有更高的反应速率和光催化效率，因而具
艺简便，但是只适合特定光催化剂的制备，不具有普 有广阔的应用前景。光催化氧化降解 VOCs 反应通常
[32]
适性。 分为 3 个过程 （如图 1a 所示，其中，CB、VB、SC
1.2 光催化涂层的稳定性 Ⅰ、SCⅡ分别为导带、价带、半导体Ⅰ和半导体Ⅱ，
目前，玻璃、石英、碳纤维、镍泡沫、不锈钢网 ʋ 1 和 ʋ 2 为入射光频率）：首先，室内 VOCs 扩散至涂
等不同种类的载体材料已被广泛用于光催化涂层的基 层表面，通过物理或化学作用吸附于涂层表面；其次，
体材料 [30-31] ，浸渍和喷涂技术因为简单、快速、经济 当大于或等于禁带宽度能量的光照射涂层表面时，产
等优点，是负载光催化活性材料最常用的方式。但是， 生的光生电子或空穴迁移到涂层表面，产生的活性物
这些技术仍有一些局限性，如催化剂容易脱落、光催 种（•O 2、•OH 等）与吸附的 VOCs 发生氧化反应，将
–
化效率较低、载体成本较高等，这将严重限制它们在 VOCs 降解成 H 2 O 和 CO 2 ，从达到净化 VOCs 的目的。
实际领域的应用。 光催化涂层对空气的净化效果主要取决于以下 3
通过将光催化活性材料负载在多孔碳材料、自支
个关键步骤：（1）涂层对光的吸收；（2）光生电荷的
撑三维多孔材料及通过自组装方法制备出光催化涂
产生和迁移；（3）VOCs 在光催化涂层上的吸附、活
层，可以有效提高光催化涂层的稳定性。首先，利用
性物种与 VOCs 的反应及产物的脱附 [36] 。通过构筑异
具有大比表面积和良好吸附性能的活性炭、活性炭纤
质结结构，如Ⅱ型和 Z 型异质结结构（图 1b、c）、形
维等多孔碳材料作为光催化涂层的基材，可有效提高 态学与结构工程（1D 阵列结构、超薄 2D 结构、3D
涂层稳定性和光催化净化 VOCs 性能。KIM 等 [32] 使用
立体结构、中空结构等）、元素掺杂工程（金属离子掺
蜂窝（活性炭蜂窝过滤器）作为支撑材料，构建
杂、阴离子掺杂等）和空位工程（S 空位、O 空位、
MnO x/TiO 2 涂层烟雾过滤器，该过滤器在实际吸烟室
3
3
（61.9 m ）中 30 min 内对初始密度为 2229 μg/m 的 Zn 空位等）等，可以显著提高光生电子-空穴的分离
效率，也有助于改善涂层对光的吸收作用，是提高光
VOCs 去除率为 80%。此外，质量分数约 70%的乙醛
催化性能的有效方法。
也被分解。其次，在自支撑且具有三维多孔结构的基

材如泡沫镍、不锈钢网上负载光催化活性材料，通过
多层涂饰也可有效提高涂层的稳定性和光催化性能。
SHAYEGAN 等 [33] 使用浸涂工艺在镍泡沫基底上涂覆
4+
3+
不同层数的 Ce（包括 Ce 和 Ce ）掺杂 TiO 2 纳米结
构光催化剂，在可见光照射下，3 层催化剂对丁酮的
去除率约为 79%，远高于单层催化剂（去除率 62%），
而在紫外光照射下，涂覆 3 层 Ce 掺杂 TiO 2 催化剂的
副产物生成率显著降低。此外，将载体、光催化活性
材料和黏合剂等通过原位自组装方法直接制得光催化
薄膜，也可以显著提高涂层的稳定性。SUN 等 [34] 使用
电化学阳极氧化方法直接在 Ti 膜上制备 TiO 2 纳米管
（ TNT ）， 之后对其 进行修饰 以构建异 质结
BiVO 4/WO 3/TNT 薄膜。在可见光照射 40 min 时，异
质结 BiVO 4/WO 3/TNT 薄膜对甲苯的去除率达到了
92%。虽然光催化涂层的稳定性已经引起研究者的关
注，但是开发可商业化、具有普适性和稳定性的涂层
制备方法仍需要研究者继续努力。 图 1 光催化涂层净化 VOCs 过程示意图（a） [32] ；Ⅱ型
异质结（b）和 Z 型异质结（c）的光催化机理 [36]
2 VOCs 光催化机理及影响光催化涂层的 Fig. 1 Schematic diagram of photocatalytic coating for VOCs
purification (a) [32] ; type Ⅱ (b) and Z-scheme
环境因素 heterojunction (c) [36]

2.1 光催化涂层对 VOCs 的光催化机理 2.2 影响光催化涂层净化 VOCs 的环境因素
光催化涂层是利用光催化技术在特定波长光的 光催化涂层在净化 VOCs 过程中发生的光催化
照射下发生催化反应的涂层 [35] 。光催化涂层对 VOCs 反应受多种环境，如光源、湿度、温度和污染物浓
的降解是典型的气-固非均相光催化反应，与液-固相 度等因素的影响，因而，需要综合考虑上述因素对