光催化解“毒”實(shí)驗(yàn)日記

活動(dòng)背景

為了搭建起服務(wù)青少年科技創(chuàng)新發(fā)展的平臺(tái)，推動(dòng)青少年科普工作新格局、新機(jī)制，重慶市根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要》，舉辦了青少年科技夏令營(yíng)、冬令營(yíng)等活動(dòng)。通過(guò)社會(huì)廣泛征集，由重慶大學(xué)材料學(xué)院的張育新教授承辦了“智慧未來(lái)”分營(yíng)。張教授積極組織開(kāi)展了納米材料體驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)、工業(yè)設(shè)計(jì)三個(gè)主題內(nèi)容的活動(dòng)。

周憬昊同學(xué)是2018年、2019年夏令營(yíng)的優(yōu)秀學(xué)員，從張家港遠(yuǎn)程趕來(lái)參加活動(dòng)，在重慶大學(xué)夏令營(yíng)期間，對(duì)光催化降解污染物的納米材料非常感興趣，張育新教授介紹他前往重慶工商大學(xué)董帆教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在兩位教授的聯(lián)合指導(dǎo)下，周同學(xué)完成了科普論文一份，同時(shí)獲得重慶市沙坪壩區(qū)青少年科技新星證書(shū)。

小貼士

甲醛，無(wú)色有刺激性氣體，2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的致癌物清單中，將甲醛放在一類(lèi)致癌物列表中。2019年7月23日，甲醛被列入有毒有害水污染物名錄（第一批）。

這種極具危險(xiǎn)性的化學(xué)物質(zhì)就藏于我們身邊，家中的復(fù)合地板或桌子，木器漆器等家具中都含有甲醛。

原來(lái)是個(gè)有害物質(zhì)

2019年的暑假，我來(lái)到重慶工商大學(xué)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)。那天，董帆教授早早地在實(shí)驗(yàn)室門(mén)口迎接我。

“周憬昊同學(xué)，歡迎來(lái)到我們光催化實(shí)驗(yàn)室。”

我點(diǎn)了點(diǎn)頭道：“你好，董帆教授。我想了解怎么減少房中的異味。”

“那你知道這個(gè)氣味是什么嗎？”董教授溫和地問(wèn)。

“這這這……”我感到十分窘迫，兩頰漲紅，低下頭小聲地說(shuō)“不知道”。

“其實(shí)，剛裝修好的房間里有很多PM2.5。而那種氣味主要來(lái)自其中的甲醛。甲醛會(huì)‘治癌……”

“治癌？那好東西呀，為啥還會(huì)有其他那么多癥狀呢？”

“不是治癌，是致癌，致命的致。”

“哦，抱歉抱歉，原來(lái)是個(gè)有害物質(zhì)。”我頓時(shí)感到自己知識(shí)淺薄，于是動(dòng)手上網(wǎng)查了查，了解了甲醛的化學(xué)性質(zhì)，以免等下做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候犯錯(cuò)。

甲醛的化學(xué)反應(yīng)方程式是CH2O，別名福爾馬林，是一種無(wú)色卻有強(qiáng)烈刺激性的氣體，屬于可揮發(fā)性慢性（VOC）病毒，易揮發(fā)，在常溫下是液體，所以人體可以聞到。甲醛有高濃度和低濃度之分。高濃度的甲醛會(huì)和人體蛋白質(zhì)結(jié)合，會(huì)嚴(yán)重刺激呼吸道，從而引發(fā)水腫、頭疼等一系列癥狀。此外，長(zhǎng)期接觸低濃度甲醛，也可能引起慢性呼吸道疾病，導(dǎo)致女性月經(jīng)紊亂、新生兒染色體異常，甚至鼻咽癌。

然而現(xiàn)在，一些貪財(cái)?shù)纳碳以谠旒揖邥r(shí)為了降低成本，就用木屑加膠水壓在一起。殊不知，膠水當(dāng)中的甲醛含量特別高。時(shí)間一久，慢揮發(fā)性的甲醛已經(jīng)揮發(fā)了很多，即使做了緩釋措施，但在大熱天中甲醛還是會(huì)繼續(xù)揮發(fā)。這就意味著我們天天在慢性吸“毒”！

這太可怕了！那么我們?nèi)绾尾拍芟兹┠兀靠紤]到實(shí)驗(yàn)的安全性，董帆教授給我設(shè)計(jì)了光催化降解一氧化氮（NO）的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橐谎趸图兹┒际且活?lèi)污染物，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)與降解甲醛的原理類(lèi)似。

光的波長(zhǎng)圖

光催化實(shí)驗(yàn)示意圖

開(kāi)始一場(chǎng)光催化實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備階段

實(shí)驗(yàn)器材十分簡(jiǎn)單：光照燈，一氧化氮的檢測(cè)儀，一氧化氮瓶，還有“流量計(jì)”（控制一氧化氮每秒流量的機(jī)器）。

在光催化降解一氧化氮過(guò)程中，需要一個(gè)可以把光子轉(zhuǎn)化成電子的介質(zhì)，我們用的是碳酸氧鉍 ①，一種半導(dǎo)體材料，雖然它不參加光催化的過(guò)程，但卻是必不可缺的，它能催化加速降解，使降解污染物效率有所提高。

我們選用的光照燈提供可見(jiàn)光。因?yàn)楣庥胁ㄩL(zhǎng)能量之分，紫外線(xiàn)波長(zhǎng)最短，紅外線(xiàn)波長(zhǎng)最長(zhǎng)，可見(jiàn)光適中。紫外線(xiàn)能量雖強(qiáng)，但是對(duì)人體眼睛皮膚等有害;紅外線(xiàn)波長(zhǎng)雖長(zhǎng)，但是它無(wú)法激活出電子，電子是降解污染物的關(guān)鍵。生活中可見(jiàn)光最多，碳酸氧鉍剛好可以在可見(jiàn)光照射下產(chǎn)生電子。

實(shí)驗(yàn)階段

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，我們需要讓一氧化氮的檢測(cè)儀預(yù)熱，先用超聲波把碳酸氧鉍清洗一下。超聲波清洗機(jī)原理主要是通過(guò)換能器，將功率超聲頻源的聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，再通過(guò)清洗槽壁將超聲波輻射到槽子中的清洗液。由于受到超聲波的輻射，槽內(nèi)液體中的微氣泡能夠在聲波的作用下保持振動(dòng)。振動(dòng)的微氣泡能破壞污物，吸附清洗件的表層，而氣體型氣泡的振動(dòng)還能對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗。

預(yù)熱好之后，就可以打開(kāi)一氧化氮瓶的閥門(mén)。到這時(shí)，就開(kāi)始測(cè)試了。流量計(jì)設(shè)置的是每分鐘1.3 毫升，量少，但也十分恐怖。

看著一氧化氮的比值在不斷減少，我不禁露出了微笑，成功了！然而比值（降解的值÷ 總值= 比值）卻不如人意，只降解了20% ！但董教授說(shuō)這已經(jīng)很好了，如果還想提高，只能用其他性能更好的介質(zhì)代替碳酸氧鉍。

親自參與實(shí)驗(yàn)后，我才真切地感受到，想要降解一氧化氮可真不容易，別說(shuō)高濃度了，就是在低濃度的情況下，也還需要更好的材料才行。所以，光催化降解“毒氣”是一種途徑，但目前來(lái)看，效果也比較一般，我們還需尋找更好的介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。