Page 68 - 《精细化工》2023年第8期
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·1682·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 40 卷

            光催化涂层作用的影响。                                        2.2.4   污染物浓度
            2.2.1   光源                                             污染物浓度与光催化反应速率之间的关系遵循
                 光催化涂层对室内 VOCs 净化的潜在应用有两                       Langmuir-Hinshelwood (L-H)方程，见式（3）。
            种：一种是将其置于空气净化器中去除净化器内富                                             r=k  O 2, ads          （3）
                                                                                   R
            集的 VOCs；另一种是将光催化涂层涂于基体上，
                                                               式中：r 为光催化反应速率，mol/(L·s)；k 是反应常
            直接净化室内的 VOCs，如光催化涂料。应用于净                           数，mol/(L·s)； 为污染物 R 在光催化剂表面的覆
                                                                              R
            化器的光源一般是紫外光，因其使用的光催化活性                             盖率；       表示氧气在吸附剂表面的覆盖率。
            材料多为 TiO 2 ，且紫外灯具有体积小、寿命长和效                               O 2, ads
            率高等优点      [35-36] 。对于涂于载体表面的光催化涂层，                    式（3）说明，反应速率 r 与反应物的表面覆盖
                                                               率成正比，多种 VOCs 如丙酮、甲醛和三氯乙烯等
            尤其是对于光催化内墙涂料而言，理想的光源是可
                                                               的光催化反应都遵循此方程             [44] 。NOGUCHI 等 [45] 和
            见光，因为太阳光中的大部分紫外线会被玻璃吸收，                                   [46]
            但是目前研究大部分使用紫外光作为光源                  [37-39] 。      CAO 等    发现，反应速率由污染物在催化剂表面的
                                                               吸附量和吸附强度决定。在 P25-TiO 2 涂层降解甲苯
                 通常，光照强度（I）与光催化反应速率（r）的
                                                               时，随着初始浓度的增大，去除率逐渐减小，这是
            函数关系为：
                                                               由于浓度太大导致涂层吸附量达到饱和，不能进一
                               r   K I n             （1）      步降解所致     [41] 。
                                   1
                                            2 α
            式中：K 1 为常数，μmol/[s·g·(mW/cm ) ]；I 为光照强
                      2
            度，mW/cm ；n 为常数  ，n=1(I<S λ )，n=0.5(I>S λ )；S λ     3    常见光催化涂层对 VOCs 的降解
                                                         2
            是一定波长下的太阳当量，一个太阳当量是1~2 mW/cm ，
            分别适用于波长低于 350 和 400 nm         [40] 。因此，在一定            光催化活性材料可以分为金属半导体材料和非
            范围内，增加光照强度可以显著提高光催化反应速率。                           金属半导体材料。目前，应用于净化 VOCs 的光催
            2.2.2   湿度                                         化涂层以 TiO 2 、ZnO、SnO 2 和 CuO 等金属氧化物为
                                                               主。其中，TiO 2 凭借自身优势，是目前光催化涂层
                 许多研究表明，相对于其他影响因素，湿度对
            VOCs 的去除率影响最明显          [41] 。这是因为光催化剂表            中使用最广泛的光催化活性材料。因此，本节将依
                                  –
                                      +
            面水分子水解生成的 OH 与 h 作用产生的•OH 可以将                      次介绍 TiO 2 基光催化涂层、其他金属半导体光催化
                                                               涂层以及非金属半导体光催化涂层对 VOCs 的光催
            VOCs 氧化为 CO 2 和水，因而湿度的增加在一定程度
                                                               化降解性能。
            上可以促进 VOCs 的降解。然而，湿度过高，水分子
                                                               3.1  TiO 2 基涂层对 VOCs 的降解
            与 •OH 发 生竞争吸附 ，会抑制反 应的进行。                              1972 年，日本的 FUJISHIMA 等      [47]
            JAFARIKOJOUR 等     [42]  研究了商业德固赛 TiO 2                                              发现，自 TiO 2
                                                               单晶电极光解水制氢以来，TiO 2 在光催化方面得到了
            （P25-TiO 2）涂层在不同湿度下对甲苯去除率的影响，
                                                               快速、广泛的发展和应用，如在光催化水解制氢、光
            发现在其他环境因素相同的条件下，去除率随着湿度                            催化降解有机物（有机染料、VOCs 等）、光催化还原
            的增大明显呈先增大后减小的趋势。张浩等                   [43] 的研究
                                                               CO 2 等领域都有广泛应用        [48-49] 。TiO 2 以锐钛矿相、金
            表明，在室内湿度分别为 35%、45%、55%的情况下，
                                                               红石相和板钛矿相 3 种晶相存在。其中，锐钛矿相 TiO 2
            Cu-TiO 2 光催化涂料对甲醛的去除率在湿度为 45%时
                                                               是带隙为 3.2 eV 的 n 型半导体，具有热稳定性好、光
            最高，当湿度进一步增加时去除率明显下降。
                                                               催化活性高、比表面积大、价格低廉和无毒无害等优
            2.2.3   温度
                                                               势而被广泛应用于室内 VOCs 的降解。目前，TiO 2 光
                 温度不仅会影响光催化反应速率，而且还会影响
                                                               催化涂层主要分为 TiO 2 涂层和改性 TiO 2 涂层。
            VOCs 在光催化剂上的吸附，因而，研究温度对光催                          3.1.1  TiO 2 光催化涂层
            化涂层催化效率的影响十分重要。在化学动力学中，                                目前，用于净化室内 VOCs 的 TiO 2 涂层主要包括
            反应速率常数（K）遵循阿伦尼乌斯公式，见式（2）。                          以下两种：一是将 TiO 2 光催化材料直接涂覆在载体表
                          K   A [exp E  (  / RT      （2）     面制得纯 TiO 2 涂层；二是将 TiO 2 添加到聚合物基质
                                         )]
            式中：A 为指前因子；E 是表观活化能，kJ/mol；T 是                     中制备传统涂料，常见的聚合物基质有氟碳树脂、苯
            温度，K；R 为理想气体常数，8.314 J/(mol·K)。                    丙乳液、聚硅氧烷、环氧树脂等。最初人们仅研究单
                 从动力学角度看，温度升高对光催化反应有利。                         纯涂层的光催化性能，邱星林等             [50] 制得的纳米级 TiO 2
            MO 等  [35] 发现，大多数 VOCs 反应速率随着温度的升                  涂层对空气中 NO x 的去除率可达 80%。在此之后，将
            高呈现先增大后减小的趋势。因此，在一定范围内升                            纳米 TiO 2 颗粒分散到氟碳树脂、苯丙乳液等聚合物基
            高温度对光催化反应有促进作用。                                    质中制得光催化净化 VOCs 的环保涂层，该类光催化
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