中日光觸媒環境凈化功能材料的市場開發與應用

許明月　仇唐彬　吉田浩之　魯云

[摘要]二氧化鈦光觸媒作為環境凈化材料于1972年被日本學者發現后，其性能被廣泛應用到空氣凈化、水凈化、自凈化、殺菌消臭、防污防霧等領域，20世紀90年代初，二氧化鈦光觸媒產品在中國快速發展。通過對中日二氧化鈦光觸媒環境凈化功能材料市場開發及應用狀況的調查，分析中日二氧化鈦光觸媒產品的開發與應用現狀，為我國未來光觸媒技術的應用開發提供思考和建議。

[關鍵詞]光觸媒;二氧化鈦;環境凈化;市場應用

[中圖分類號]X 701[文獻標志碼]A[文章編號]1005-0310（2019）04-0062-07

Market Development and Application of Photocatalyst Functional

Materials for Environmental Purification in China and Japan

Xu Mingyue1， Qiu Tangbin2，Yoshida Hiroyuki 3， Lu Yun2

（1. College of Biochemical Engineering， Beijing Union University， Beijing 100023， China; 2. Graduate School of

Science and Engineering， Chiba University， Chiba 263-8522， Japan; 3. Chiba Industrial

Technology Research Institute

， Chiba 263-0061， Japan）

Abstract： Titanium dioxide photocatalyst， as an environmental purification material， was discovered by Japanese scholars in 1972. It has been widely used in the fields of air purification， water purification， self-cleaning， sterilization and deodorization， antifouling and antifogging for its excellent properties. In the early 1990s， titanium dioxide photocatalyst products were developed rapidly in China. Based on the investigation of the market development and application of titanium dioxide photocatalyst as environmental purification functional materials in China and Japan， this paper discusses the present situation of development and application of titanium dioxide photocatalyst in China and Japan. It also gives some ideas and suggestions for the future application and development of photocatalyst technology in China.

Keywords： Photocatalyst; Titanium dioxide; Environmental purification; Market development

環境污染是世界各國非常重視的問題，它影響到國家的可持續發展和人類健康。2018年5月世界衛生組織發布，每年因室外和室內空氣污染造成的過早死亡人數達到700萬人，每10人中有9人呼吸含有高濃度污染物的空氣。近90%的空氣污染相關死亡發生在低收入和中等收入國家，且近2/3在東南亞區域和西太平洋區域[1]。

近年來，中國空氣污染狀況也引起了世界普遍關注。據中國生態環境保護部《中國生態環境狀況公報》公布數據顯示，2010年以來，我國空氣中PM2.5的含有量在逐年下降，尤其在2013年以后下降幅度較大[2-6]。但與日本及歐美發達國家相比仍然偏高（見圖1）[7]。

在水質方面，根據國家環境監測網對地表水環境質量的實際監控顯示，在開展監測的全國地級以上城市集中式生活飲用水水源地中，地表水型飲用水水源地93.7%達標，地下水型飲用水水源地85.1%達標[6]。這表明地表水質穩中趨好，但良好水體保護的形勢嚴峻，部分水體污染問題突出。

“十二五”以來，中國政府對于環境治理力度前所未有，黨中央、國務院把生態文明建設和環境保護放到非常重要的戰略位置，做出一系列重大決策部署。2013年以來國務院、生態環境部發布了系列大氣、水污染的防治政策和措施，如《大氣污染防治行動計劃》（2013）、新《環境保護法》（2015）、《水污染防治行動計劃》（2015）、《中華人民共和國大氣污染防治法（修正案）》（2016）、《水污染防治法》（2018）等等。這些系列政策的出臺表明了政府環境保護的態度和環境治理的決心。解決環境污染問題已成為我國實現國民經濟社會可持續發展、提高國民生活健康水平的迫切要求。

1光觸媒

光觸媒又稱作光催化劑，是一種以二氧化鈦（TiO2）為代表的具有光催化功能的半導體材料的總稱。二氧化鈦在光的照射下，表面會產生類似光合作用的光催化反應，產生出氧化能力較強的自由氫氧基和活性氧，具有很強的光氧化還原性能，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，能破壞細菌的細胞膜和病毒的蛋白質從而殺滅細菌，把有機污染物分解成無污染的水和二氧化碳。

1972年日本學者研究發現，二氧化鈦在紫外線照射下能將水分解成氫氣和氧氣，由此開啟了二氧化鈦光觸媒技術在環境凈化領域中的基礎和應用研究。利用光觸媒技術可以進行空氣凈化、水凈化、殺菌消臭、防污防霧等，特別是在空氣凈化方面，不僅具有優異的化學凈化作用，同時還具有優異的生物凈化效果，能夠將空氣中的甲醛、苯、二甲苯、氨、TVOC等有害氣體、污染物、臭氣、細菌等氧化分解成二氧化碳和水，隨空氣流動排出室外，有效抑制細菌的交叉感染，達到控制細菌繁殖和凈化空氣的目的。此外，二氧化鈦光觸媒還多用于污水、廢水的處理，利用其強氧化性能降解水中有機污染物，消除二次污染，利用其強還原能力將毒害性強的重金屬離子還原為毒性較小甚至無毒的離子，從而達到水凈化的目的。

2日本光觸媒凈化功能材料的市場開發與應用

光觸媒的環境凈化功能自被發現以來，光觸媒技術就被廣泛應用到生產、生活中。以二氧化鈦光觸媒為原材料開發的產品具有空氣凈化、自凈化、抗菌殺菌、消臭防臭等功能（見圖2）。

據統計，2000年以來日本光觸媒的市場規模逐步擴大（見圖3）。2016年日本國內與光觸媒有關的行業市場產值達到638億日元，光觸媒國外市場輸入額達267億日元（見圖4）[8]。2018年8月，日本光觸媒工業協會最新統計顯示，74家光觸媒工業協會會員企業和研發單位涉及的業種為研發、制造、銷售、施工、評價等內容，涵蓋了日本光觸媒所有業務內容。74家會員單位中62%的企業具有企業自主研發的光觸媒產品，28家企業兼有銷售施工的業務[9]。

2.1空氣凈化領域的應用

二氧化鈦光觸媒作為環境凈化功能材料，主要因二氧化鈦所產生的氫氧自由基能破壞有機氣體分子的能量鍵，使有機氣體成為單一的氣體分子，加快有機物質、氣體的分解，將空氣中甲醛、苯等有害物質分解為二氧化碳和水，從而凈化空氣。日本從20世紀90年代開始，光觸媒空氣凈化產品被大量研制、開發，并投入市場。如光觸媒劑、空氣凈化器、陶瓷、板材等。

1） 光觸媒劑。光觸媒劑是光觸媒空氣凈化產品中最常用的一種，對它的使用主要是通過在建筑外裝、內裝上噴涂光觸媒劑來達到凈化室內外空氣的目的。光觸媒不僅可以用于室外，也可以在室內借助熒光燈和LED等室內照明達到同紫外光同樣功能的凈化效果。近年，光響應型光觸媒產品被開發，光觸媒的空氣凈化范圍進一步擴大。日本光觸媒工業協會74家會員單位中，35家企業具有建筑外壁、頂棚、建筑內壁噴涂的業務，這些企業主要為公司、學校、家庭、機場、商場等提供室內外環境凈化服務。

2） 空氣凈化器。20世紀90年代間，日本因房屋裝修使用粘合劑、涂料等揮發性有機溶劑導致的健康問題，引起日本民眾的不滿，此后，日本市場推出了使用光觸媒技術的空氣凈化器，光觸媒空氣凈化器可以有效分解空氣中因家裝而揮發的有毒、有害物質，達到凈化空氣的目的。目前，光觸媒空氣凈化器主要有適用于商場、學校、醫院、公司的空氣凈化系統，家庭用空氣凈化器，車載空氣凈化器，光觸媒空調等。近年，日本新干線部分車廂也安裝了光觸媒空氣凈化裝置，空氣凈化裝置內置了氧化鈦涂層的多孔質陶瓷以及作為紫外線光源的黑光，通過將其交互式多層排列，達到殺菌除臭的效果。

3） 道路建材。汽車尾氣中的氮氧化合物、硫氧化物是造成空氣污染的一個主要原因，減少汽車尾氣的排放、快速分解汽車尾氣的有害物質是治理空氣污染的重要手段。20世紀80年代，日本在大都市交通密集地段，定期在路面噴涂光觸媒劑，來快速分解汽車尾氣中的有害物質，達到凈化空氣的目的。目前，道路建設中具有凈化功能的道路建材，如涂料、水泥、防音壁、遮光板等也被陸續使用。

2.2自凈化領域的應用

二氧化鈦光觸媒代表性功能除了空氣凈化外，還有自我凈化的功能。由于光觸媒有較強的酸化力和超親水性，噴涂于物體表面，可形成光觸媒防霧涂層，同時由于其強大的氧化反應效應，可氧化掉物體表面的污漬，使被涂物具有自凈化功能。

1） 建筑外墻的自凈化。在建筑外墻上噴涂光觸媒劑后，在太陽光的照射下能夠快速分解建筑表面的污染物和有害物質，下雨時被分解的污染物隨著雨水被沖刷掉，從而保持建筑外墻的美麗和色澤，達到自潔的效果。目前，建筑外墻的噴涂是日本光觸媒企業很普遍的業務，50%左右的光觸媒企業具有“外墻美容”的業務。

2） 光觸媒瓷磚。20世紀90年代初，日本因醫院感染問題，萌發了在醫院手術室墻壁、地面瓷磚上涂層光觸媒去除空中浮游細菌等物質的想法。由于光觸媒的氧化分解能力，可以使空氣中細菌的數量大量減少，進而保證醫院的空氣質量。日本醫院的這一做法為光觸媒瓷磚的研制提供了思路。1998年日本專業陶瓷生產公司TOTO開發了具有自潔功能的光觸媒瓷磚，光觸媒瓷磚不僅能殺菌、抗病毒，還能抑制異味、防腐、防污垢。進入21世紀，醫院、養老院、酒店、商場等公共場所的廚房、衛生間都有采用光觸媒瓷磚的實例。

3） 光觸媒玻璃。即在玻璃表面涂上具有高光觸媒功能的薄膜，由于光觸媒的氧化功能和超親水性，能有效去除污垢，即使在雨天也能較好地保持玻璃的清潔。目前，光觸媒玻璃在日本應用較為廣泛，如日本中部國際機場、橫濱市水道局、商場、住宅大樓等都有安裝光觸媒玻璃的實例。此外，光觸媒玻璃還被應用到了汽車后視鏡、新干線列車的車窗上，不僅能保持汽車外觀的清潔美觀，還能保證雨天駕駛的安全。

4） 光觸媒頂棚。日本很多車站站臺、體育館等建筑設施棚頂是采用白色頂棚材料設計，白色頂棚不僅可以防風雨，還可以增加透明度，吸收太陽光，提高室內的亮度和溫度，從而節省能源。但是白色頂棚使用后污漬較為明顯，影響美觀，光觸媒頂棚能充分發揮光觸媒的自潔功能，可以保持頂棚長久清潔。目前，許多體育館、倉庫、車站通道的屋頂，商店、娛樂設施的遮陽棚，住宅平臺屋頂等均采用光觸媒材料設計，即美觀又清潔。

2.3抗菌殺菌領域的應用

光觸媒還有抗菌殺菌功能，光觸媒在殺滅大腸桿菌、金色葡萄球菌、肺炎桿菌、霉菌等病菌的同時，還能分解由病菌釋放出的有害物質。光觸媒抗菌殺菌功能主要應用在醫療衛生領域和農作物生產、保鮮領域。

1） 醫療衛生領域的應用。光觸媒空氣凈化功能、自潔功能可以使醫療環境長期保持清潔、干凈。其殺菌功能還可以抑制醫院、養老機構等醫療設施、醫療器械的細菌繁殖。近年，在抑制癌細胞的生長、假牙清潔和牙齒美白方面也有光觸媒的貢獻。通過在患癌部位注入光觸媒微粒子，來抑制癌細胞的繁殖;在假牙中加入含光觸媒的溶液，被光源照射后，假牙上附著的污物被分解而變得干凈;牙齒美白方面，主要通過LED燈的照射，去除牙齒上的牙垢，達到清潔牙齒、去除細菌的目的。

2） 農業相關領域的應用。光觸媒在農業方面的應用主要用于水果蔬菜保鮮、養液栽培和提高種子發芽活力上。眾所周知，水果和蔬菜存放時間久了會變質，這是因為，開始變質的部分會釋放出能促進水果和蔬菜成熟老化的乙炔氣體，促進未變質部位快熟變質。如果使用光觸媒，能將乙炔氣體分解為二氧化碳和水，易于水果和蔬菜的長時間保存，保持其鮮度。使用光觸媒不僅可以保鮮，還可以抑制細菌、霉的繁殖，保持存放水果、蔬菜空間的清潔。

光觸媒在養液栽培上的應用。應用養液培植蔬菜、水果是農業栽培的常用方法，不僅能促進農作物的生長，還能使瓜果、蔬菜避免病蟲害的侵蝕。養液栽培使用過程中最主要的問題是養液水的處理，如果不排水，循環使用會減少果菜產量;如定時排放污水容易造成環境污染。利用光觸媒處理循環水，建立去除對生長有害物質的清潔系統，提高養液使用率，進而凈化環境。

光觸媒還可以提高種子發芽的活力，實驗發現，光觸媒產生的活性酸素能對種子發芽產生一定的影響。經過光觸媒劑處理的種子，其發芽率遠高于普通種子的發芽率，因此，在發芽率較低的草藥中使用光觸媒劑可大大提升草藥的收益率。

2.4防臭消臭領域的應用

光觸媒的防臭消臭功能主要體現在汽車、衣柜、鞋柜等狹小、密閉空間空氣凈化的應用上。總所周知，汽車使用時間久了，車廂內會產生異味;衣柜、鞋柜因空間密閉，時間久了也會有異味出現，利用光觸媒空氣凈化器可以有效消除車廂、衣柜、鞋柜的臭味異味，凈化空氣。例如日本ユーヴィックス有限公司生產的光觸媒除菌消臭器，專門適用于汽車、衣柜、鞋柜、衛生間等狹小空間的空氣凈化。此外，光觸媒技術已被日本軌道交通列入車廂空氣治理的一種技術手段，新干線的吸煙室也裝有光觸媒除臭器，對車廂進行光觸媒除臭，以保證車廂空氣的清新。

2.5水凈化領域的應用

除了抗菌消臭、防污的功能外，光觸媒還可以應用到水凈化領域。利用二氧化鈦光觸媒技術降解水中有機污染物，特別是當水中有機污染物濃度很高或用其他方法難以處理時，光觸媒的凈化效果是非常明顯的。但是，有效除菌的水凈化系統的開發較為困難，因為粉末狀二氧化鈦光觸媒遇水易分散，不利于回收。日本千葉大學研制開發的二氧化鈦光觸媒薄膜小球，將粉末狀二氧化鈦成膜于球狀金屬氧化物表面，可以將其與水分離，有效回收再利用[10]。在日本千葉公園使用光觸媒薄膜小球進行污水凈化處理后，取得了較為明顯的效果。

3中國光觸媒凈化功能材料的市場開發及應用

20世紀90年代初，中國對利用二氧化鈦光觸媒功能凈化環境給予了關注，21世紀初，中國光觸媒的基礎研究和應用技術開發的水平顯著提高，一系列的研究成果被應用，以光觸媒技術為基礎的新興環境保護產業已經形成。截至目前，中國有數百家企業從事光觸媒技術相關產品的研發、生產、銷售和施工業務，中國光觸媒產品開發涉及建材、環保、家電等行業[11]。光觸媒產品的研究、開發、生產、銷售、服務一體化的高科技產業鏈已經形成。據觀研天下數據中心公布的數據顯示，我國光觸媒行業市場保持穩定增長的態勢，截至2017年底，光觸媒行業市場規模已經達到46億元，增速為4.05%;2018年達到48.3億元，增速5.05%（見圖5）;2025年預計達到68億元（見圖6）[12]。

3.1空氣凈化領域的應用

空氣凈化是中國光觸媒技術應用最多的領域，從國內光觸媒產品市場來看，以液態的光觸媒劑居多，光觸媒劑可直接噴涂在物體表面，無色無味，能快速分解空氣中異味，殺滅有害細菌，達到降解有機污染物的效果。目前，國內很多光觸媒企業都有自行開發的光觸媒凈化劑，用于建筑外墻、室內家具的噴涂。例如，國家體育館、鳥巢、上海世博館等都通過噴涂光觸媒劑來凈化室內環境和維護建筑設施的潔凈。2018年北京地鐵6號線全線嘗試進行光觸媒噴涂，以消除車廂異味。近年受PM2.5的影響，空氣凈化器的市場異常火爆，利用光催化技術開發的室內空氣凈化機、空氣集中凈化系統的市場銷量逐年攀升。

3.2自凈化領域的應用

光觸媒自凈化產品在日本有很好的銷售市場，如光觸媒自凈化抗菌涂料、自凈化抗菌瓷磚、自凈化玻璃等。目前，光觸媒自凈化材料在中國也備受歡迎，例如建筑物玻璃墻、汽車玻璃、汽車后視鏡等產品都曾采用光觸媒玻璃，既潔凈又環保。中國國家大劇院的頂棚，就采用了光觸媒技術，具有很好的清潔、防污等功能，自凈化效果非常明顯。此外，光觸媒的自凈化功能還被應用到道路材料的生產中，摻有光觸媒的瀝青混合鋪路材料可以降解汽車尾氣的污染，減少城市空氣污染，減緩熱島效應。

3.3抗菌領域的應用

光觸媒的特性主要是利用空氣中的氧分子及水分子將所接觸的有機物轉換為二氧化碳和水，自身不發生反應，卻可以促進化學反應，有效期較長。光觸媒的抗菌功能在市場上也有一定的應用。如光觸媒抗菌衛生陶瓷被應用到醫院、學校、家庭的廚房、衛生間，抗菌效果非常明顯。

4中日光觸媒凈化功能材料的差異

對比中日光觸媒凈化功能材料市場開發及應用可以看出，兩國在光觸媒產品性能、市場開發與應用方面有所不同。

1） 光觸媒產品性能方面。日本自從發現光觸媒技術并將其商品化以來，一直領導著世界光觸媒技術的發展。目前日本擁有世界最高光催化性能的納米粉，例如日本石原產業公司生產的7 nm TiO2粉末（產品名：ST-01），另外還有許多投入市場的TiO2懸浮液噴涂液產品，大量用于室內外的環境凈化。而我國主要處于技術引進后的吸收、消化和創新階段，產品性能參差不齊、可靠性不夠等問題亟待解決。

2） 光觸媒市場開發與應用方面。日本光觸媒產品主要源于二氧化鈦，以二氧化鈦光觸媒為原材料開發的產品有二氧化鈦光觸媒、光觸媒劑、家裝建材、光觸媒過濾器、空氣凈化器、陶瓷、玻璃制品、防音壁、冰箱、水凈化器等。產品涉及建材、涂料、道路資材、家用電器、汽車、生活用品、纖維等15個行業，有效發揮了空氣凈化、水處理、防污、抗菌、除臭等功能。

同日本相比，中國除了在光觸媒空氣凈化和抗菌陶瓷方面的應用有所發展以外，在光觸媒其他領域的應用都處于發展與實驗階段，沒有廣泛應用和大規模產業化的產品。中國自主研發、生產的光觸媒產品主要有二氧化鈦光觸媒、光觸媒劑、空氣凈化機等。家裝建材、玻璃制品、水凈化器、生活用品等產品雖然也有開發，但還未成規模。即使在中國已經發展了十多年的光觸媒空氣凈化產品，由于工藝水平的限制，和日本走的是不同的技術路線，日本技術主要是以高濃度高分散技術為主，我國則根據各個公司的技術水平采取不同的方法利用納米二氧化鈦光催化反應分解有害氣體。以納米光催化劑技術作為關鍵工藝技術，可導致污染物吸附于催化劑，對產品的活性產生影響。近年來，我國科研人員也在試圖尋找出更為合適的新技術、新手段，但很多研發出來的材料僅適用于實驗室。

5結論與展望

光觸媒技術由于不消耗地球能源、不使用有害的化學藥品，而僅僅利用太陽光的光能等就可將環境污染物在低濃度狀態下清除凈化，并且還可作為抗菌劑、防霉劑應用，因而是一項具有廣泛應用前景的環境凈化技術。

日本光觸媒技術、光觸媒產品開發及市場應用已進入成熟期，開發出的產品應用廣泛，涉及行業多，產品功能效果顯著，未來在醫療（癌預防、美容）、農業（種子發芽）等方面的應用值得期待。與日本相比，中國光觸媒技術的開發及應用還不夠廣泛，未來隨著光觸媒技術研究的深入開展，應用在建筑、家電、涂料、生活等領域的光觸媒產品會不斷增多，在水污染治理、醫療設施及器械、農業等領域的應用將會引起關注。

1） 水污染治理。中國的水質污染問題比較嚴重，特別是石油化工、印染、造紙、制藥、農藥等嚴重污染行業的有機廢水大量排放，成為嚴重的污染源。光觸媒技術可以在石油化工、印染、造紙、制藥、農藥等工業廢水的凈化處理及富營養化水域的藻類去除、飲用水的消毒等方面發揮較大作用，使受污染水域實現高度凈化[13]。目前，以光觸媒技術為基礎的水污染治理還沒有大范圍實踐和推廣，中國水污染現狀將大大推動光觸媒水凈化技術在水污染治理產業的發展。

2） 醫療領域。隨著老齡化社會的到來，醫院、養老機構的需求不僅大大增加，對醫療設備、醫護材料的功能要求也更加細致，光觸媒材料具有抗菌、除臭等功能，由此開發的產品在醫院、養老機構會有廣泛的使用范圍。此外，利用光觸媒技術進行癌癥預防、治療也值得深入研究。

3） 農業領域。日本光觸媒技術的應用已拓展到農業領域，種子發芽、果蔬保鮮是當前光觸媒應用研究的一個熱點。我國是農業大國，在農業生產過程中，可嘗試通過光觸媒技術來提升種子發芽的質量，保持蔬菜、水果的鮮度。

此外，光觸媒技術在土壤污染治理的領域也值得期待。據生態環境部《2018中國環境狀況公報》，我國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，土壤污染治理同空氣污染、水污染治理同等重要，利用光觸媒技術進行土壤污染治理沒有可借鑒案例，未來可嘗試利用該技術進行土壤的污染治理和防治。[參考文獻]

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（責任編輯李亞青）

[收稿日期]2019-06-13

[基金項目]2018年北京聯合大學公派國外訪問學者研修項目。

[作者簡介]許明月（1972—），女，黑龍江七臺河人，北京聯合大學生物化學工程學院副教授，碩士，主要研究方向為企業管理;仇唐彬（1993—），男，上海市人，日本千葉大學融合理工學府碩士研究生，主要研究方向為光觸媒;吉田浩之（1977—），男，日本千葉縣人，日本千葉縣產業支援技術研究所博士，主要研究方向為光觸媒;魯云（1956—），男，重慶市人，日本千葉大學融合理工學府教授，北京聯合大學特聘教授，博士，主要研究方向為光觸媒和熱電材料。E-mail：xumingyue1015@163.com