北京科技大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“高可見(jiàn)光活性氮摻雜納米TiO₂粉體的規(guī)模化制備技術(shù)及應(yīng)用”課題，攻克了納米氮摻雜TiO₂（N-TiO₂）粉體的低成本規(guī)模化制備及其在水相中的均勻分散和懸浮穩(wěn)定等關(guān)鍵技術(shù)，建成了年產(chǎn)能達(dá)百噸級(jí)的高可見(jiàn)光活性的納米N-TiO₂光催化噴劑中試生產(chǎn)線（如圖1所示）；制定了納米N-TiO₂光催化噴劑產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；建立了高效氣相和液相光催化降解示范裝置。第三方權(quán)威部門檢測(cè)結(jié)果表明，在可見(jiàn)光照射下，該課題所開(kāi)發(fā)出的光催化產(chǎn)品具有優(yōu)異的可見(jiàn)光光催化降解氣相污染物（如甲醛、苯、TVOC等）、廣譜抗菌（大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌和白色念珠菌等）和防霉性能。用戶實(shí)際應(yīng)用效果表明，所研發(fā)的光催化產(chǎn)品具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，在不同氣候條件下均具有長(zhǎng)效可見(jiàn)光光催化性能。

課題研究獲得了多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果。以該課題所開(kāi)發(fā)的納米N-TiO₂材料為基礎(chǔ)，可以研制出系列具有長(zhǎng)效可見(jiàn)光光催化特性的新產(chǎn)品，用于空氣凈化、致霾氣體降解、污水處理、抗菌以及自清潔等，市場(chǎng)前景廣闊。

一、技術(shù)簡(jiǎn)介

二氧化鈦（TiO₂）是一種半導(dǎo)體材料，當(dāng)其受到紫外線照射時(shí)，在TiO₂表面生成的高活性羥基自由基和超氧自由基等基團(tuán)，可將構(gòu)成有機(jī)物的，由碳、氫、氧、氮等元素之間形成的化學(xué)鍵分解，達(dá)到抗菌抑菌、降解有機(jī)化合物（苯、甲苯、苯乙烯、甲醛等）、去除PM2.5重要產(chǎn)生源（氮氧化物和硫氧化物）等凈化環(huán)境的目的。在此過(guò)程中，TiO₂僅將光能轉(zhuǎn)為化學(xué)能，本身并不被消耗而具有長(zhǎng)效作用，因此被稱為光催化劑。

光催化作用是1972年日本東京大學(xué)的藤島昭（A.Fujishima）率先發(fā)現(xiàn)并提出的^[[i]]。此后，各國(guó)學(xué)者圍繞TiO₂的光催化性能開(kāi)展了廣泛的研究。TiO₂薄膜表面的光致超親水性是1997年R.Wang等人^[[ii]]首次報(bào)道，即納米TiO₂薄膜在紫外線的照射下，水在其表面的接觸角將降至10度以下，使得涂覆TiO₂薄膜的基材表面可以長(zhǎng)期在雨水沖刷、清洗等條件下具有易潔、自潔功能。

但是，納米TiO₂的上述光催化和超親水性能只能被紫外線所激發(fā)。而在室內(nèi)等密閉、半密閉空間內(nèi)由于紫外線極其微量則難以發(fā)揮TiO₂的光催化性能。因此，改變對(duì)紫外線的依賴，實(shí)現(xiàn)TiO₂的可見(jiàn)光激發(fā)和應(yīng)用非常關(guān)鍵。氮摻雜被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)TiO₂可見(jiàn)光激發(fā)和提高其光催化效率最有效的手段之一^[[iii],[iv]]。但由于氧鈦（O-Ti）結(jié)合能高于氮鈦（N-Ti）結(jié)合能，氮離子難以摻入TiO₂晶格，因此，有關(guān)納米N-TiO₂低成本、規(guī)模化制備方面的研究進(jìn)展緩慢，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)商業(yè)納米N-TiO₂產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)。

本課題組在國(guó)家和企業(yè)橫向課題的資助下，實(shí)現(xiàn)了具有可見(jiàn)光活性的納米N-TiO₂粉體的低成本、規(guī)模化制備，建成了年產(chǎn)能達(dá)到百噸級(jí)的納米N-TiO₂光催化噴劑中試生產(chǎn)線。第三方檢測(cè)表明，產(chǎn)品在日光燈的照射下24小時(shí)對(duì)持續(xù)揮發(fā)源的甲醛和TVOC（揮發(fā)性有機(jī)物）的去除率均在80%以上；24小時(shí)對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和綠膿桿菌的光催化抗菌率均大于99%。

二、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）掌握了納米N-TiO₂粉體的高效、短流程和低成本規(guī)模化制備技術(shù)，粉體的年產(chǎn)能達(dá)到噸級(jí)。規(guī)模化制備的納米N-TiO₂粉體在可見(jiàn)光照射下具有良好的氣相、液相光催化降解性能和廣譜抗菌性能。

（2）掌握了納米N-TiO₂粒子在水相中的均勻分散和懸浮穩(wěn)定性技術(shù)，建成了年產(chǎn)能為100噸的納米N-TiO₂光催化噴劑中試線。批量化生產(chǎn)的光催化噴劑產(chǎn)品具有良好的可見(jiàn)光光催化降解氣相有機(jī)污染物、廣譜抗菌和防霉性能以及良好的生物安全性。

（3）成功研制出納米光催化材料氣相、液相光催化降解測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光催化材料性能的快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。制定了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)并完成了備案，產(chǎn)品生產(chǎn)通過(guò)了ISO9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證。

（4）在公共場(chǎng)所和家庭住宅等生活場(chǎng)所進(jìn)行的大量應(yīng)用案例表明，不同條件下納米N-TiO₂光催化噴劑的實(shí)際應(yīng)用效果良好。

三、產(chǎn)業(yè)化前景分析

項(xiàng)目參研單位山東億康環(huán)保科技有限公司正在積極進(jìn)行成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，針對(duì)室內(nèi)等密閉空間空氣凈化、公共場(chǎng)所抗菌抑菌、大氣中致霾氣體凈化、光催化自清潔和污水凈化等應(yīng)用領(lǐng)域具體特點(diǎn)，完成相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，計(jì)劃于2015年年底前在山東臨沂建成占地100畝、年產(chǎn)能達(dá)數(shù)千噸的納米N-TiO₂光催化產(chǎn)品的生產(chǎn)和研發(fā)基地，推動(dòng)光催化材料在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為解決普遍存在的環(huán)境污染問(wèn)題貢獻(xiàn)力量。