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摘要：光触媒材料可以吸收太阳光的光能，产生电子和空穴从而具有强氧化性，实现有机物的分解。在建筑材料中广泛应用的光触媒涂层，增加美观的同时还可以降低清洁成本，净化空气，是一种全新的绿色建筑材料。本论文首先介绍了光触媒的工作原理，研究进展。其次重点介绍了光触媒涂层在建筑领域的应用案例，以及广东美博新材料科技有限公司在光触媒材料研发领域取得的研究成果，还讨论了光触媒与无机人造石结合应用于建筑外墙装饰的可行性及意义。
关键词：光触媒;建筑;催化;半导体;无机人造石;
1.引言
光催化反应（词条“催化反应”由行业大百科提供）是以光为能源的一种物质转化形式，能促进光催化反应的物质称之为光催化剂，也叫光触媒。现代科学家花费大量的精力与时间、利用各种资源、去探索开发光催化反应的应用。从2010年起光催化反应现象的发现数量激增，伴随着大量的文章发表。图1是自2000年至2019年有关光催化论文发表数量的逐年递增情况(数据来源于Scopus数据库)。
光催化反应现象的发现可以追溯到60年代末。1969年日本学者Akira Fujishima在实验中发现了光催化电解水现象，这一发现在1972年被发表在《自然》杂志。当时正值石油危机，光催化电解水产生氢气与氧气被认为可能是能源领域的革命。随着研究的深入，人们开始发现光照可以促进更多的化学反应，如光催化降解（词条“降解”由行业大百科提供）有机污染物、光催化合成有机化合物等。在20世纪80年代后期，随着纳米材料和光电子学的快速发展，光催化技术迎来了爆发式的增长。新型催化剂的研究以及光催化材料的优化，使得光催化反应的效率和选择性得到了大幅提高。
2.光催化基本原理及研究历史与现状
光催化的基本原理见图2所示。
光触媒材料在光的照射下，电子从价带(Valance Band)跃迁到导带(Conduction Band)，伴随这个过程在材料表面生成具有强氧化性的游离基，这些游离基可以把吸附在材料表面的污渍(如烟尘、污垢、油污、和其它污染微粒)、生物体(如霉菌、藻类、细菌、过敏源)及来自空气中的污染物(如甲醛、苯、其它VOCs、烟草烟雾、氮氧化物、硫氧化物)氧化成水与二氧化碳，将有害的污染物转化成无毒无害物质。被氧化后的产物很容易被雨水冲洗干净。应用这个原理将可以被光触发的材料应用于建筑材料，形成了光触媒自洁建筑材料。这里所指的自洁。不仅是因为光触媒自洁材料的表面保持直观上的干净自洁，更因为对空气中有害气体的分解，及各种细菌病毒不可能在其表面繁殖生存而具有卫生健康自洁，所以此处的“自洁”不仅是物理意义的干净自洁，而且是卫生健康意义上的自洁。有研究表明，如果城市建筑广泛使用自洁外墙材料，城市的空气质量可提高80%。
随着光催化电解水反应的发现，光催化反应的潜在应用被进一步研究，最重要的一个潜在应用是光催化对水及空气的净化。这起源于1977年现代电化学之父Allen J. Bard 与Steven N. Frank发现氰化物在二氧化钛（词条“氧化钛”由行业大百科提供）悬浮液里分解的现象。1980年以后，陆续发现水及空气中的许多有害化合物可以被二氧化钛光触媒分解消除，用二氧化钛光触媒净化空气与水的研究于是活跃起来。
有关催化反应的实际应用始于上个世纪90年代。当时日本东京大学的科研团队与日本的陶瓷洁具公司TOTO合作，深入研究二氧化钛光催化净化空气及水的局限性。研究发现二氧化钛光触媒在三维空间(容器)对水及空气净化作用有限，因为太阳光的能量密度太低，而且二氧化钛光触媒只能吸收太阳光里少量的紫外光，不足于产生足够的光催化能量分解三维空间里的水或空气的有害物质。基于这样的结论，他们把注意力从三维空间移到二维平面。他们发现，户外遮阴下的太阳光虽然紫外线的能量密度只有几百个微毫瓦每平方厘米(μw/cm2)，但其光子数量可达1015/cm2/秒，这光子的数量相对于吸附在光触媒表面的分子数量要大得很多。东京大学的科研团队做了一个实验，他们在二氧化钛光触媒表面引进硬脂酸单分子层(油层)，分子数量大约在1016-1017/cm2，在紫外光照射20分钟后，硬脂酸分子层消失。进一步的研究还发现，光触媒表面受紫外光照射时不仅能分解吸附在其表面的污染物，被紫外线照射的光触媒表面还呈现超亲水性能，即雨水可以非常均匀地扩散在被紫外线照射的光触媒表面，切入污染物与光触媒的表面，将光触媒表面的污染物清洗干净。光触媒自洁材料的新概念因此产生。
3.光触媒在建筑领域的应用案例
上世纪90年代中期，二氧化钛光触媒大范围进入实际应用阶段，以TOTO公司1994年推出的光触媒自洁陶瓷为典型例子，随后光触媒自洁建筑材料也进入了实际应用阶段。例如2000年日本建设的中部国际机场(Chubu International Airport) 的20,000平方米的幕墙玻璃就是采用二氧化钛光触媒自洁技术。如图3为中国国家大剧院，其顶棚也采用了光触媒自洁技术。
实际上，国外对于光触媒应用于建筑领域的时间要远远地早于我国。目前日本在光触媒技术上一直处于领先地位，其光触媒自洁的应用也处于领先地位。自TOTO公司光触媒自洁产品推出后大约十年间，日本就有超过2000家公司从事与光触媒行业相关的业务，超7000栋的商业建筑采用光触媒自洁技术，甚至人行道也采用光触媒地砖铺设以提高空气质量，如图4。
欧洲对光触媒自洁技术也非常重视，1998意大利建造的罗马千禧教堂(Jubilee Church)就应用了大面积的光触媒自洁混凝土板，2003年就开始有了第一个光触媒自洁建筑项目落地—法国张伯伦音乐博物馆 (CHAMERY MUSIC MUSEUM, FRANCE)(图5)。
作为“竞争力与可持续性发展”的欧洲计划的一部分，欧盟在2001至2005年期间为开发及评估光催化净化空气立项，项目全称为Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment, 简称PICADA，项目的中文名称可翻译为“光催化创新涂覆去污染应用评估”。PICADA项目结束后一大批光触媒自洁建筑项目在欧洲及美国出现，例如法国航空总部大楼(AIR FRANCE HEADQUARTERS)、法国波尔多警察局(BORDEAUX POLICEDEPARTMENT)、2015米兰世博会意大利馆(Expo 2015, Milan Italy)美国路易斯安那州大学篮球体育馆(LSU BASKEBALL PRACTICE FACILITY, BATON ROUGE, LA)、美国乔治亚州道尔顿学院钟塔(THE BELL TOWER, DALTON, GEORGIA)和美国米富林州长学校(GOVERNOR MIFFLIN SCHOOL, SHILLINGTON, PENNSYLVANIA)等(见图6)。
4. 广东美博新材料科技有限公司在光触媒建筑材料领域的探索
意识到光触媒自洁建筑材料的重要性及中国在光触媒建筑材料与世界发达国家的差距，广东美博新材料科技有限公司于2019年提出了无机人造石朝功能化方向发展的计划。在参考大量中外文献的基础上，制定了发展光触媒无机人造石三步走的计划：
(1)打好基材基础
要将无机人造石作为光触媒载体，必须把无机人造石质量做好、做稳定。广东美博一直致力于将无机人造石制造与无机人造石应用作为整体解决方案来研究，借助混凝土的基础理论知识，综合高性能混凝土(High Performance Concrete, HPC)、超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)、纤维增强混凝土(Fiber Reinforced Concrete, FRC)、聚合物改性混凝土(Polymer Modified Concrete, PMC)、聚合物改性-纤维增强混凝土(Polymer Modified-Fiber Reinforced Concrete，PM-FRC)、工程水泥基复合材料（词条“复合材料”由行业大百科提供）(Engineered Cementitious Composite, ECC)及装饰性混凝土(Decorative Concrete) 等技术工艺, 广东美博目前生产出的无机人造石综合性能均衡，质量稳定，不管是薄型板材(10mm)或常规厚度板材(18mm以上)都能根据需要控制其综合性能，满足特定应用领域的要求。
(2)光触媒与无机人造石结合
在实现了把无机人造石基材质量做好、质量稳定的基础上，广东美博开始进行无机人造石与光触媒结合的实验。经过两年多反复实验及参考大量中外文献，广东美博成功地将无机人造石与光触媒有效地偶联。通过对模拟污染物(亚甲基兰、红玫瑰B、茶水、酱油)的自然光降解（词条“光降解”由行业大百科提供）比对(图7)，证明了光触媒无机人造石对污染物有很好的降解能力。
另外，如我们考虑实际应用场景，光触媒去污自洁效果应比测试样效果更加优越。实际应用场景中，板面的污染是日积月累附在板材表面的过程。在这个过程中，刚到达光触媒表面的污染物分子在阳光照射下立即被氧化破坏，也就是说在绝大多数情况下污染物没有机会积累就被光触媒氧化破坏了。再加上不定期的雨水冲洗板材表面，把被氧化的污染物残留冲洗干净，使光触媒表面再生。因此在实际应用中，光触媒的去污自洁效果将非常明显。
此外，广东美博还把无机人造石与光触媒的结合扩展到仿自然断裂的板面，效果也很好。如图8，表面为自然断裂面的板材也可以作为光触媒载体，具有很好的光触媒自洁效果。
至此，广东美博已完成了从光面板到自然断裂板面与光触媒的结合，自洁效果都非常好。同时，广东美博还做了初步的耐久性实验：将实验后的板块放在自来水龙头下反复冲洗10-30分钟模拟雨水冲刷，晾干后继续做自洁实验，结果自洁功能基本上不受影响。
(3)将光触媒无机人造石付之于应用。
广东美博正在与学术界专家、外墙装饰应用行业领军专家密切合作，夯实光触媒无机人造石应用的理论基础及工艺技术，将光触媒无机人造石应用落到实处，以缩短中国在光触媒建筑材料及应用方面与国际先进水平的差距。
光触媒自洁建筑可以大幅降低建筑外墙的维护成本，能长期保持建筑外表干净，延长建筑外墙老化。除了这些直观的优点外，光触媒自洁建筑另一个更重要的优点是对空气的净化功能。光触媒建筑外墙可以把吸附在其表面的有害气体如氮氧化物、硫氧化物、各种VOCs分解成无毒无害物质。这些有害气体中的氮氧化物、硫氧化物是酸雨源，是对混凝土造成实质性破坏的主要原因之一。而如烟尘、污垢、油污、VOCs和其它污染微粒除了污染建筑物外表面使建筑物陈旧老化外，VOCs还通过各种光化学反应破坏臭氧层，其光化学反应的产物含有致癌及其它对健康有严重危害的物质。光触媒自洁建筑外墙能将吸附在其表面的有害气体如氮氧化物、硫氧化物、各种VOCs分解成无毒无害物质所以光触媒外墙被认为是应对城市空气污染最有效的手段。例如米兰世博会意大利馆9000平方米的光触媒自洁外墙被评估可以净化大约100辆柴油卡车或相当于300辆汽油小车的尾气排放。
光触媒还有强大的抗菌杀菌、除味能力。有资料表明，光触媒的抗菌/杀菌能力要比氯气强3倍，比臭氧强1.5倍。所以光触媒建筑外墙不会发霉，不会产生青苔。光触媒自洁建筑外墙净化空气、抗菌杀菌的过程除了利用阳光外，不利用任何其它化学物质，不利用任何额外的能量，整个过程即不消耗光触媒，也没有任何有害废物产生，用绿色环保手段达到更绿色环保目的，所以光触媒被认为是适用性最广、效果最佳的洁净方法。图9形象体现光触媒的广泛应用。
理论上，光触媒可以应用在任何建筑材料表面接受阳光照射实现自洁功能。但基材能否承受强大的氧化还原反应是光触媒能否实际应用的主要因素。例如各种乳液涂料，虽然加入光触媒可以使涂层具有自洁功能，但除非特殊的保护措施，否则由于发生在光触媒表面的氧化还原反应，将使涂层自身也会遭到影响导致涂层老化、剥落等。
在建筑材料中，陶瓷、水泥混凝土、以及玻璃因其对发生在光触媒表面的氧化还原反应有非常强的承受能力，因此是光触媒最优良的载体。相比陶瓷与玻璃，水泥混凝土作为光触媒载体其优势更加明显，因为陶瓷光触媒涉及高温烧结，玻璃光触媒涉及折光系数的匹配，这些都导致相对复杂的工艺，因而成本相对高。混凝土光触媒工艺简单，而且混凝土是建筑用量最大的材料，所以外墙装饰性混凝土是光触媒应用最广泛的领域。这也是为什么欧洲的PICADA项目以水泥混凝土装饰性外墙为主。
以水泥为胶凝材料的无机人造石由于其优越的耐候性正在成为取代天然石材用于建筑装修，特别是外墙装饰材料，无机人造石与光触媒结合作为自洁装饰材料不仅能保持装饰效果的长期美感，更重要的是光触媒无机人造石广泛应用于外墙将对减轻空气污染、提高空气质量进而提高公众的健康水平有极大的帮助。
5. 展望
多家国际市场评估机构预测，从2023年至2030年的7年期间，光触媒自洁材料的发展将以复合年增长率(Compound Annual Growth Rate, CAGR) 9.6%的速度增长，主要的应用领域为建筑行业。无机人造石作为光触媒载体具有巨大的优势，无机人造石的无机特性使它具有良好的耐候性成为取代天然石用于室外的建筑装饰材料，它的无机特性还使它与光触媒高度兼容，不受光触媒表面所发生的强氧化还原反应所影响。无机人造石的人造特性使无机人造石可工厂产业化生产，性能可控可调，因此与光触媒的结合方式也可控可调，其制备成本也比目前混凝土光触媒外墙低很多，满足大面积推广使用的成本要求。
中国是世界上唯一具有无机人造石制造产业的国家，利用产业优势开发应用光触媒无机人造石将给无机人造石行业及相关行业带来良性互助发展。首先，光触媒无机人造石对基材的质量要求将有效遏制目前无机人造石以价格为导向、价廉物不美、浪费资源的发展趋势;光触媒无机人造石的应用将促进中国对光触媒材料的研究开发，这对中国在纳米材料领域的发展有促进作用。最后光触媒无机人造石作为外墙装饰或户外其它具体应用不仅能使城市的面貌常新，降低外墙维护成本，还能有效地降低城市的空气污染，提高空气质量，提高大众的身体健康水平。因此光触媒无机人造石作为外墙装饰或户外其它应用不仅具有巨大的经济效益，也有巨大的社会效益。
作者单位：
广东美博新材料科技有限公司
深圳霍夫曼先进材料研究院
