光催化与生活

生活中的光催化技术朱永法清华大学化学系[e-mail]杭州，浙江理工大学清华大学环境与能源催化实验室内容提要•环境与能源问题的严峻性•光催化技术的基本原理•光催化技术与生活质量家居生活污染治理医疗健康交通环境食品保障军事应用环境质量绿色能源健康建筑清华大学环境与能源催化实验室化石能源的不可再生性•煤、石油、天然气等化石能源的不可再生性；•一次能源均来自亿万年太阳能的积累，无法循环使用光合作用是唯一可利用CO2和水合成有机物的反应－地球上最伟大的反应清华大学环境与能源催化实验室在过去100年里，消耗了1420亿吨石油和2650亿吨煤，消耗了世界56％的石油和60％以上的天然气如何利用太阳能是绿色能源最关键的技术亿万年形成的化石燃料仅支持了约300年的现代工业文明！《BP世界能源统计2007》的数据表明，全球石油储量可供生产40年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年40年60年160年化石能源的短缺性清华大学环境与能源催化实验室温室效应：由于排放使得大气中二氧化碳含量提高，全球气候在同步变暖，发生温室效应。全球每年排放的CO2高达240亿吨之巨温室效应的危害性清华大学环境与能源催化实验室全球每年排放SO22.9亿吨，NOx约为5千万吨，以及大量可吸入粉尘；导致了酸雨、光化学烟雾、灰霾洛杉矶光化学烟雾甘肃沙尘暴酸雨效应污染严重的大气环境制约健康的室内污染•我国每年由室内空气污染引起的非正常死亡人数达11.1万人•有68%的疾病是室内污染造成的。清华大学环境与能源催化实验室•建筑材料•装饰材料•人的活动•室外污染物清华大学环境与能源催化实验室染料废水：主要工业废水之一，其毒性大，色泽深，严重危害了生态环境。农药污染：我国每年农药产量大约20万吨，还从国外进口农药75万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中洗涤剂污染：每年大量的洗涤剂进入水体，并难以降解；工业污水：煤化工、石油化工、化工废水、矿山废水等；Ref:国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》难以寻觅到清纯的流水社会发展面临的制约问题•化石能源的枯竭•绿色可再生能源的突破•环境污染的严重恶化–大气污染的控制：大气灰霾、雾霾、光化学气候–温室气体二氧化碳排放的控制–室内空气的质量的提高–水污染的控制–生活用水的安全；清华大学环境与能源催化实验室清华大学环境与能源催化实验室光催化技术的优势1.常温省能源：仅需低功率UV光源，不需要加温；可以直接利用太阳光2.杀菌广普和能力强，无耐药性；3.有毒有机物的彻底矿化，均可降解；4.效率高，寿命长5.维护简单，运行费用底6.无污染，无毒，卫生安全光催化技术的应用前景光催化材料+太阳光家居内部窗帘、镜子、室内建材日光灯居房外部瓷砖,玻璃,涂料,帐篷铝面板空气净化空气净化器二恶英降解公路行业隧道照明灯公路上用镜隔音墙NOx的清除汽车业汽车镜、外涂料医疗器械及外设医用导管手术室太阳能利用光解水制氢CO2的光还原水净化环境激素降解有机氯化物的降解农业残留农药降解家禽饲养场所除臭水培室净化军事应用防生化、野战保障清华大学环境与能源催化实验室光催化科学原理半导体在紫外及可见光激发下，产生光生电子和光生空穴；光生电子具有还原性质，可还原水产氢，还原二氧化碳产油，直接产电-太阳能电池---能源利用；光生空穴具有强氧化性，能降解或矿化有机污染物，杀灭细菌和病毒---环境应用。光催化杀菌的原理清华大学环境与能源催化实验室光生空穴的能力达到3.0eV，相当于15000度温度的能量光催化自清洁原理清华大学环境与能源催化实验室分解污染物中的有机物和亲水表面，是的污染物颗粒易脱落清华大学环境与能源催化实验室光催化环境净化的原理光生空穴的能力达到3.0eV，相当于15000度温度的能量，可以大部分化学键，分解有机污染物为二氧化碳和水清华大学环境与能源催化实验室光催化能源利用的原理•光生电子还原水，产出氢气；光生空穴氧化水，产出氧气；•光生电子还原二氧化碳形成有机燃料；•光生电子和空穴分离，形成电压和电流输出；光催化剂的微观和宏观结构清华大学环境与能源催化实验室家居生活中的光催化清华大学环境与能源催化实验室•鞋子除臭杀菌•车载空气净化器；•家用空气净化器；•生活用水净化器；•卫生洁具；•抗雾和抗污镜子；•墙面自清洁涂层；鞋袜杀菌除臭与空气净化清华大学环境与能源催化实验室•利用光催化杀灭鞋袜的细菌和除异味•利用光催化杀灭内衣上的细菌•利用光催化去除异味，净化空气玻璃和镜子的自洁防雾清华大学环境与能源催化实验室利用光催化剂喷涂在玻璃和镜子表面，可以防雾和自洁浴室镜、窗户玻璃、后视镜清华大学环境与能源催化实验室光催化空气净化器光催化剂产生高能量的光生空穴，直接分解空气中的有机污染物和杀灭病毒和细菌，实现室内空气主动净化，提高居室空气质量家用空气净化器清华大学环境与能源催化实验室实现PM2.5颗粒物、有害气体和细菌的净化艺术、照明与健康融合清华大学环境与能源催化实验室光催化净化灯和干花艺术灯罩和干花上光催化材料可以被动分解有害气体和杀菌，改善室内空气质量、保障健康具有净化性能的壁纸和窗帘清华大学环境与能源催化实验室墙纸和窗帘上的光催化材料可以被动分解有害气体和杀菌，改善室内空气质量、保障健康清华大学环境与能源催化实验室生命之源-水的洁净自来水中存在大量有机物，氯消毒副产物等大量有害物，其中有近40种是致癌物质•降解水中的微量有机污染物•降解水中消毒副产物•分解水中的微量藻毒素•杀灭饮用水中的细菌和病毒光催化自净化冰箱清华大学环境与能源催化实验室•喷涂光催化涂层，进行被动净化，实现杀菌和除异味•通过加装循环空气净化装置，主动净化冰箱中的空气，实现杀菌和去异味厨卫的抗菌与自洁清华大学环境与能源催化实验室光催化涂层的厨卫设施，具有自洁、抗菌的功能享受愉悦的生活每一天食品保障中的光催化•大棚无菌生产过程的空气消毒•无土培养液的消毒杀菌•粮食、蔬菜储存过程中的杀菌，防止发霉和腐烂，延长保存期•水果储存过程中去除乙烯和杀菌，延长保鲜期•食品加工车间和场所的无菌净化清华大学环境与能源催化实验室果蔬食物无菌生产应用清华大学环境与能源催化实验室1.无菌农业生产过程的空气消毒2.无菌栽培生产过程的水消毒3.无土培养液的杀菌消毒回用食品和果蔬的存储保鲜•食品和果蔬储存和运输过程中的杀菌净化，延长保存时间•水果和蔬菜储存合运输过程中去除乙烯和杀菌作用，延长保鲜期•食品加工场所的无菌空气环境清华大学环境与能源催化实验室远洋舰船上的冷藏果蔬和食品的保质期可以延长2-3倍，从1-2个月到3-4个月清华大学环境与能源催化实验室果蔬的存储保鲜果蔬和食品的保质期可以延长2-3倍无菌饲养清华大学环境与能源催化实验室1.饲养场所的无菌化，动物少得病，避免使用抗生素等药剂，促进生长；避免动物瘟役发生2.饲料中添加氧化锌光催化剂，保障饲料不霉变-避免添加抗菌药剂3.去除饲养场所的异味，改善工作环境生活健康与光催化•医院的无菌病房和手术室：空气消毒机杀菌净化，避免交叉感染和去除异味•无菌病房墙壁光催化杀菌、自洁和空气净化，去除异味•医药制造过程的无菌化，保障药品的安全；清华大学环境与能源催化实验室无菌医院光催化消毒设施光催化净化组件光催化医用空气消毒机粗过滤+静电+光催化集成净化光催化抗菌自清洁涂层应用医院无菌化清华大学环境与能源催化实验室绿色建筑中的光催化•自清洁玻璃•自清洁瓷砖•自清洁涂料•自清洁墙纸•自清洁水泥清华大学环境与能源催化实验室防污免清洁、杀菌防霉、净化空气室内自然光下污染物降解清华大学环境与能源催化实验室建筑物的防污自洁清华大学环境与能源催化实验室建筑瓷砖的自清洁清华大学环境与能源催化实验室自清洁瓷砖对染料污染物的光催化自清洁效果A:原始污染瓷砖B:光照10分钟C:光照20分钟D：光照30分钟E:光照40分钟自清洁瓷砖可以在太阳光或室内光照射下，对积累在表面的有机污染物分解成水和二氧化碳，实现自清洁的功能清华大学环境与能源催化实验室建筑物外墙的自清洁光催化涂层可以通过超亲水性和降解功能实现建筑物表面的自清洁功能建筑物的抗菌防霉清华大学环境与能源催化实验室光催化涂层具有杀菌效果，可以杀灭霉菌等，保证建筑物不会发霉建筑物涂层的空气净化清华大学环境与能源催化实验室光催化涂层还可以分解空气中的有害物质，对空气实现净化功能自清洁建筑的应用实例清华大学环境与能源催化实验室交通生活中的光催化•隧道内的尾气净化•道路上的尾气净化•地铁站的空气净化•地下停车场的空气净化•密闭车厢内的空气净化清华大学环境与能源催化实验室•汽车尾气•霉变及异味•装修材料释放•人员交叉感染•空气污浊化•净化密闭交通工具内的污浊空气，避免交叉感染•消除地下交通站点的污浊空气和汽车尾气工业污染的控制•工业废气净化–制鞋厂的三苯废气–喷漆、印刷厂的溶剂–化工有害废气等清华大学环境与能源催化实验室彻底分解为二氧化碳和水工业污水净化清华大学环境与能源催化实验室•各种难降解有机污水•彻底分解为二氧化碳和水光催化与国防事业•防生化处理：细菌、病毒、毒剂•军事掩蔽设施内的空气净化；•潜艇中的空气净化；•炸药、推进剂废液的处理；•远洋军舰上果蔬保障；•野战场合的无菌水供应；•野战医院的无菌手术仓；清华大学环境与能源催化实验室光催化空气净化系统大大提高了核潜艇的潜航能力对比实验结果光催化用于潜艇舱空气净化改善潜艇内的空气质量，避免交叉感染，提高战斗力绿色太阳能-未来希望•光解水制氢：清洁能源•太阳能电池：直接发电•光合作用-温室气体变油清华大学环境与能源催化实验室光解水制氢视频染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池清华大学环境与能源催化实验室1.我国地面每年吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量（每年开采煤炭34亿吨）;2.目前染料敏化太阳能电池转换效率可以达到13%太阳能路灯太阳能发电站野外电能供给清华大学环境与能源催化实验室真的可以水变油吗？在太阳光下，在光催化剂可以把水分解为氢和氧气，形成绿色氢能，再与温室气体反应可变成油清华大学环境与能源催化实验室温室气体也可以变油吗？在太阳光辐照,光催化可以直接将空气中的二氧化碳和水汽转化为烃、醇类等有机燃料自清洁与空气净化视频清华大学环境与能源催化实验室A:降解VOC演示B:防雾自洁演示C:分解染料演示空气净化器净化视频清华大学环境与能源催化实验室光催化研究工作•TiO2介孔薄膜光催化剂•钨酸铋和钼酸铋光催化剂•钨酸锌和钼酸锌光催化剂•磷酸铋光催化剂•共轭π分子表面杂化光催化研究•表面氧缺陷型光催化研究•光电协同催化降解研究•C3N4活性与氧化能力提高研究•吸附富集-定位光催化降解研究清华大学环境与能源催化实验室致谢国家自然科学基金杰出青年基金（20925725）、重点项目（21437003）、科技部973项目(2013CB632403）和863项目（2012AA062701）的资助56感谢各位老师和同学的支持！谢谢！57