光催化剂：让生活光鲜亮丽

【《日本?望》月刊报道】题：光清洁革命（作者　《日经科学》杂志撰稿人青不慎一）
在东京大学，教授藤岛照发明的一项新技术受到了高度重视。藤岛利用光催化剂和辐射分解化学物质。除了有助于制造抗菌瓷砖和空气净化设备以外，光催化技术的其他有前景的应用领域也正逐步显现。
以三重县县府津市中央火车站前的UST—TSU建筑为例，该建筑的外墙贴着光催化瓷砖，据津市政府的规划部门介绍，这种瓷砖有两方面的功能，首先是不易粘灰尘和煤烟，从而降低清洁建筑物和瓷砖修缮成本。其次，这种瓷砖可以净化空气污染物，如会导致哮喘的氮氧化合物等。UST—TSU建筑上的这些瓷砖总面积约7700平方米，其空气净化效果据称相当于一个拥有200棵杨树的林带。
光催化剂使用的氧化钛经紫外线照射会表现出两种特征：极强的吸水性和较高的氧化潜能。因此若有灰尘或煤烟落在建筑物上，它实际上是飘浮在瓷砖的这层薄水膜上，下雨时尘污会随之被冲洗掉。
自行清洗的浴室
藤岛制造了“光清洁革命”一词，形容光催化剂以类似植物光合作用的方式在日常生活中得到应用。目前日本光催化剂产品市场总额约400亿日元，但预计到2050年将迅速攀升至1万亿日元。
藤岛还记得30年前他在读研究生期间发现氧化物的光催化效应后所感到的困惑。“我在做氧化钛晶体试验”，他回忆说，“这时，光线照射晶体，水分解成氢和氧”。
起初，藤岛试图利用这一效应，将水变成清洁燃烧氢燃料的氢气来源，但这项研究从未达到应用技术层次。此后东京大学先端科学技术研究中心的桥本和渡边也开启了氧化钛光催化剂实际应用的大门，起因是肮脏、发臭的大学浴室。思路是如果能让有机化学分解反应在浴室里发生，浴室就可以自行清洗。
渡边根据这一想法发明了抗菌瓷砖，并逐渐由他曾供职过的浴室设备制造商TOTO公司投入生产。随后，相同的原理被应用于制造防尘街灯和车镜。
清凉建筑
最近，两位教授又提出了光催化剂的另一个激动人心的用途。房屋墙壁涂上极具吸水性的光催化剂涂层后，会形成均匀的薄水膜，并长期覆于墙上。桥本希望利用光催化剂的这一特征，阻止大都市区出现的“热岛现象”。
都市地区多是混凝土建筑物，混凝土具有吸热效应，加上空调和交通车辆排热，城区气温高于周边。若将建筑物涂上光催化剂，浇湿后形成薄水膜，水分蒸发有助于排热，使建筑物有效降温。
2001年夏，桥本开始了他的“城市之河”计划实验。他在东京大学建筑物的屋顶上用涂过光催化剂的玻璃和墙壁材料搭建了一座小屋，面积大致和一个榻榻米相当。水顺着屋子的侧面流下，室内温度下降。即便是在盛夏，屋内温度也降低了将近10摄氏度。
更清洁地燃烧塑料
桥本和渡边以及神奈川县出资组建的神奈川科技院的科学家们一道，开发出光催化剂的另外一项用途，引起了合成塑料制造商的兴趣。该技术可以减少被视为最危险人造污染物的二恶英（Dioxin）。
在日本，二恶英的主要来源是20世纪60年代和70年代建造的垃圾焚化炉。如果焚化炉在1000摄氏度以上运作，几乎就不会产生二恶英。然而，早期焚化炉无法在不损毁自身炉壁的前提下达到如此高的温度。加上长期经济衰退导致税收下降，受此压力，地方政府亦无力改进这一设备。
研究小组决定利用技术改变焚烧塑料，而非更换焚化炉。他们制造了一种大约含10%氧化钛和钙碳酸盐的塑料垃圾袋，氧化钛的直径约7纳米，将这些塑料袋和其他塑料放在一起，在老式的低温焚化炉里烧毁。
在高温条件下，氧化钛会分解有机物质，帮助垃圾焚化。实验中，加入含氧化钛的塑料后，启焚温度由380摄氏度降低至350摄氏度。氯乙烯在400—450摄氏度条件下焚烧时，二恶英产量减少了2/3。
防锈
利用光催化剂防止生锈的研究工作取得了进展。东京大学助教、藤岛过去的学生间撤和枥木县宇都宫市的电子传输线生产商光阳电气工程共同发明了这项技术。
金属在其负电荷氢氧离子附上正电荷表面时生锈。金属具有正电荷，因其较容易丢失电子。通过防止金属表面接触水和氧气，或补充金属表面失去的电子使之不吸引氢氧离子，就可以阻止金属生锈。而氧化钛暴露于紫外线下时会释放电子。
为检验氧化钛的防锈效果，研究小组将钢铁浸在盐水中，未经处理的钢铁在1小时后出现明显的生锈迹象，而有氧化钛涂层的钢铁则未锈化。即使氧化钛涂层局部破损或消解，周围涂层仍可释放足够的电子阻止锈化。“此项技术的应用意味着钢铁高楼重漆的维护成本会大幅下降”，光阳电气工程的斋藤修一说。
玻璃表面
光催化剂的其他重要需求领域有望陆续涌现，其中包括建筑物的窗玻璃和汽车的挡风玻璃。传统的方法是用含氧化钛的液体给玻璃涂层和上光，但会导致厚度不均，影响视觉、破坏外观，且容易很快脱落。
青山学院大学教授重里有三发明了一种可以避免上述问题的新技术。这项技术被藤岛称为“过去数年内对行业影响最为深远的成就”。
重里有三采用一种称为焊溅技术的方法，用于特制玻璃和钢板的表面处理，该方法也用于半导体生产。作为光催化材料的钛板被放在真空当中，用两个电极以每秒50000次的速率交替碰撞产生电流，击打钛板，钛板在电流击打下释放钛核，而后被氧化形成光催化剂氧化钛。氧化钛在玻璃片或建筑材料表面上堆积成镀层，经300—600摄氏度的温度固化后，形成一个非常硬的薄膜层。
一个30—40纳米厚的薄膜可以在一分钟内形成。现有的特制玻璃制造设备经改造后，就可以给数米宽的玻璃板涂上光催化薄膜。
可见光
为开发能在可见光而非仅紫外线光谱下反应的光催化剂，许多研究工作都在进行。虽然效率较低，但是可见光光催化剂在某些领域得到应用。
2001年10月，东京大学的桥本在东京举办了一个面向商界人士的可见光光催化剂的讨论会。桥本赞扬了丰田中央研究所开发的光催化剂，该实验室由丰田汽车出资组建，地点位于爱知县的丰田。这种光催化剂在氧化钛中使用氮原子取代部分氧原子，在520纳米可见光波长下表现出极强的氧化潜能，能分解有机分子。
2001年12月，产业技术综合研究所开发了一种更有效的可见光光催化剂，其报告发表在英国科学杂志《自然》上，引起了广泛的关注。
然而，在目前的光催化剂下，可见光能源中仅有一小部分可以用来生成氢气，在此技术被实际应用于制造氢气之前，能源转换效率必须提高100倍以上。
尽管面临挑战，这些新技术和应用研究项目也已突破了传统智慧的限制，正在推动光催化剂在现实世界的广泛应用，源自日本的光催化技术将使21世纪的生活变得更加安全、更加便利。