光催化自洁玻璃

"白色污染"已成为一个全球性的环境问题。将光催化剂掺入塑料中，可制备出环境友好的光降解塑料，它在一定的使用期内具有期望的功效，而在超过使用期后，或在远未达到使用寿命期而被废弃后，在光照条件下能迅速自动分解。这种聚合物材料的自动光降解，通常需要特定的光催化剂，在催化剂的作用下，经光化学反应而降解。目前，这种方法已经成为解决"白色污染"问题的一个有效途径。TiO2是一种较早研究的固相光催化剂，它具有高活性、高稳定性、低成本和无毒等优点，已广泛应用于塑料的处理。

在TiO2的能级结构中，价电子所占据的能级称为价带，未填充电子的能级称为导带。导带和价带之间存在一个能量间隙，称为禁带，宽度为3.2 eV。当半导体材料TiO2吸收了等于或大于3.2 eV的光能时，价带上的电子可以跃迁到导带上，在导带上生成一个光生电子e，价带上则留下一个空穴h

在潮湿空气中，光生电子和光生空穴在聚合物膜表面上分别与氧气和水反应。光生电子具有很强的还原性，它可以将聚合物膜表面的氧气还原，成超氧自由基 (自由基是具有单电子的物质)·O2。而·O2经一系列反应产生·OH自由基。

而空穴具有强氧化性，它可以将OH(包括H2O中的 OH)氧化，也产生自由基·OH。·OH自由基的氧化能力很强，是塑料光催化氧化降解过程的主要氧化剂。

以聚乙烯(PE)的光降解为例说明原理。第一步，光催化剂TiO2产生的活性物质·OH进攻PE分子的C―H键，使该键断裂。键上的氢带走一个电子与·OH结合生成水，同时给键上的碳原子留下一个电子，使PE分子其余部分成为以碳原子为中心的自由基。第二步，这些碳自由基与O2反应，O2分子的π键断裂，它一端与自由基碳结合，另一端带上一个电子，形成新的自由基，称为过氧自由基。第三步，这些过氧自由基进攻PE分子的C―H键并与氢结合(与·OH 进攻的情况十分相似)，又生成以碳原子为中心的自由基。第四步，过氧自由基与氢的结合产物很不稳定，在光照下O―O键断裂，两个O各带上一个电子，一个留在PE分子链上形成以氧为中心(·O)的自由基，另一个形成·OH自由基。第五步，含有·O的 PE分子链不稳定，·O所在C原子的一条C―C键断裂，两个C各带上一个电子。·O与所在C原子的单电子配对，形成π键，结果形成羰基，即生成一个醛分子。另一个单电子C原子留在PE分子链另一部分的端部，形成一个碳链自由基。以上是PE分子链的一个断裂过程，事实上这些断裂出来的物质可以继续按照这样的方式发生断裂，分子量继续降低，PE继续降解。理论上，PE最终可被氧化为CO2和 H2O。通过这样的过程，TiO2可有效光催化PE降解。例如，将掺有1%TiO2的PE膜置于太阳光下照射，300 h后失重达到42%，而纯PE膜仅失重0.39%。