光催化自潔玻璃

"白色污染"已成為一個(gè)全球性的環(huán)境問題。將光催化劑摻入塑料中，可制備出環(huán)境友好的光降解塑料，它在一定的使用期內(nèi)具有期望的功效，而在超過使用期后，或在遠(yuǎn)未達(dá)到使用壽命期而被廢棄后，在光照條件下能迅速自動(dòng)分解。這種聚合物材料的自動(dòng)光降解，通常需要特定的光催化劑，在催化劑的作用下，經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)而降解。目前，這種方法已經(jīng)成為解決"白色污染"問題的一個(gè)有效途徑。TiO2是一種較早研究的固相光催化劑，它具有高活性、高穩(wěn)定性、低成本和無毒等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于塑料的處理。

在TiO2的能級(jí)結(jié)構(gòu)中，價(jià)電子所占據(jù)的能級(jí)稱為價(jià)帶，未填充電子的能級(jí)稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在一個(gè)能量間隙，稱為禁帶，寬度為3.2 eV。當(dāng)半導(dǎo)體材料TiO2吸收了等于或大于3.2 eV的光能時(shí)，價(jià)帶上的電子可以躍遷到導(dǎo)帶上，在導(dǎo)帶上生成一個(gè)光生電子e，價(jià)帶上則留下一個(gè)空穴h

在潮濕空氣中，光生電子和光生空穴在聚合物膜表面上分別與氧氣和水反應(yīng)。光生電子具有很強(qiáng)的還原性，它可以將聚合物膜表面的氧氣還原，成超氧自由基 (自由基是具有單電子的物質(zhì))·O2。而·O2經(jīng)一系列反應(yīng)產(chǎn)生·OH自由基。

而空穴具有強(qiáng)氧化性，它可以將OH(包括H2O中的 OH)氧化，也產(chǎn)生自由基·OH?！H自由基的氧化能力很強(qiáng)，是塑料光催化氧化降解過程的主要氧化劑。

以聚乙烯(PE)的光降解為例說明原理。第一步，光催化劑TiO2產(chǎn)生的活性物質(zhì)·OH進(jìn)攻PE分子的C―H鍵，使該鍵斷裂。鍵上的氫帶走一個(gè)電子與·OH結(jié)合生成水，同時(shí)給鍵上的碳原子留下一個(gè)電子，使PE分子其余部分成為以碳原子為中心的自由基。第二步，這些碳自由基與O2反應(yīng)，O2分子的π鍵斷裂，它一端與自由基碳結(jié)合，另一端帶上一個(gè)電子，形成新的自由基，稱為過氧自由基。第三步，這些過氧自由基進(jìn)攻PE分子的C―H鍵并與氫結(jié)合(與·OH 進(jìn)攻的情況十分相似)，又生成以碳原子為中心的自由基。第四步，過氧自由基與氫的結(jié)合產(chǎn)物很不穩(wěn)定，在光照下O―O鍵斷裂，兩個(gè)O各帶上一個(gè)電子，一個(gè)留在PE分子鏈上形成以氧為中心(·O)的自由基，另一個(gè)形成·OH自由基。第五步，含有·O的 PE分子鏈不穩(wěn)定，·O所在C原子的一條C―C鍵斷裂，兩個(gè)C各帶上一個(gè)電子。·O與所在C原子的單電子配對(duì)，形成π鍵，結(jié)果形成羰基，即生成一個(gè)醛分子。另一個(gè)單電子C原子留在PE分子鏈另一部分的端部，形成一個(gè)碳鏈自由基。以上是PE分子鏈的一個(gè)斷裂過程，事實(shí)上這些斷裂出來的物質(zhì)可以繼續(xù)按照這樣的方式發(fā)生斷裂，分子量繼續(xù)降低，PE繼續(xù)降解。理論上，PE最終可被氧化為CO2和 H2O。通過這樣的過程，TiO2可有效光催化PE降解。例如，將摻有1%TiO2的PE膜置于太陽光下照射，300 h后失重達(dá)到42%，而純PE膜僅失重0.39%。