光催化解“毒”实验日记

活动背景

为了搭建起服务青少年科技创新发展的平台，推动青少年科普工作新格局、新机制，重庆市根据国务院印发的《全民科学素质行动计划纲要》，举办了青少年科技夏令营、冬令营等活动。通过社会广泛征集，由重庆大学材料学院的张育新教授承办了“智慧未来”分营。张教授积极组织开展了纳米材料体验、虚拟现实体验、工业设计三个主题内容的活动。

周憬昊同学是2018年、2019年夏令营的优秀学员，从张家港远程赶来参加活动，在重庆大学夏令营期间，对光催化降解污染物的纳米材料非常感兴趣，张育新教授介绍他前往重庆工商大学董帆教授团队进行实验研究。在两位教授的联合指导下，周同学完成了科普论文一份，同时获得重庆市沙坪坝区青少年科技新星证书。

小贴士

甲醛，无色有刺激性气体，2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中，将甲醛放在一类致癌物列表中。2019年7月23日，甲醛被列入有毒有害水污染物名录（第一批）。

这种极具危险性的化学物质就藏于我们身边，家中的复合地板或桌子，木器漆器等家具中都含有甲醛。

原来是个有害物质

2019年的暑假，我来到重庆工商大学做科学实验。那天，董帆教授早早地在实验室门口迎接我。

“周憬昊同学，欢迎来到我们光催化实验室。”

我点了点头道：“你好，董帆教授。我想了解怎么减少房中的异味。”

“那你知道这个气味是什么吗？”董教授温和地問。

“这这这……”我感到十分窘迫，两颊涨红，低下头小声地说“不知道”。

“其实，刚装修好的房间里有很多PM2.5。而那种气味主要来自其中的甲醛。甲醛会‘治癌……”

“治癌？那好东西呀，为啥还会有其他那么多症状呢？”

“不是治癌，是致癌，致命的致。”

“哦，抱歉抱歉，原来是个有害物质。”我顿时感到自己知识浅薄，于是动手上网查了查，了解了甲醛的化学性质，以免等下做实验的时候犯错。

甲醛的化学反应方程式是CH2O，别名福尔马林，是一种无色却有强烈刺激性的气体，属于可挥发性慢性（VOC）病毒，易挥发，在常温下是液体，所以人体可以闻到。甲醛有高浓度和低浓度之分。高浓度的甲醛会和人体蛋白质结合，会严重刺激呼吸道，从而引发水肿、头疼等一系列症状。此外，长期接触低浓度甲醛，也可能引起慢性呼吸道疾病，导致女性月经紊乱、新生儿染色体异常，甚至鼻咽癌。

然而现在，一些贪财的商家在造家具时为了降低成本，就用木屑加胶水压在一起。殊不知，胶水当中的甲醛含量特别高。时间一久，慢挥发性的甲醛已经挥发了很多，即使做了缓释措施，但在大热天中甲醛还是会继续挥发。这就意味着我们天天在慢性吸“毒”！

这太可怕了！那么我们如何才能消除甲醛呢？考虑到实验的安全性，董帆教授给我设计了光催化降解一氧化氮（NO）的实验，因为一氧化氮和甲醛都是一类污染物，所以这个实验与降解甲醛的原理类似。

光的波长图

光催化实验示意图

开始一场光催化实验

准备阶段

实验器材十分简单：光照灯，一氧化氮的检测仪，一氧化氮瓶，还有“流量计”（控制一氧化氮每秒流量的机器）。

在光催化降解一氧化氮过程中，需要一个可以把光子转化成电子的介质，我们用的是碳酸氧铋 ①，一种半导体材料，虽然它不参加光催化的过程，但却是必不可缺的，它能催化加速降解，使降解污染物效率有所提高。

我们选用的光照灯提供可见光。因为光有波长能量之分，紫外线波长最短，红外线波长最长，可见光适中。紫外线能量虽强，但是对人体眼睛皮肤等有害;红外线波长虽长，但是它无法激活出电子，电子是降解污染物的关键。生活中可见光最多，碳酸氧铋刚好可以在可见光照射下产生电子。

实验阶段

实验开始，我们需要让一氧化氮的检测仪预热，先用超声波把碳酸氧铋清洗一下。超声波清洗机原理主要是通过换能器，将功率超声频源的声能转换成机械振动，再通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。由于受到超声波的辐射，槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下保持振动。振动的微气泡能破坏污物，吸附清洗件的表层，而气体型气泡的振动还能对固体表面进行擦洗。

预热好之后，就可以打开一氧化氮瓶的阀门。到这时，就开始测试了。流量计设置的是每分钟1.3 毫升，量少，但也十分恐怖。

看着一氧化氮的比值在不断减少，我不禁露出了微笑，成功了！然而比值（降解的值÷ 总值= 比值）却不如人意，只降解了20% ！但董教授说这已经很好了，如果还想提高，只能用其他性能更好的介质代替碳酸氧铋。

亲自参与实验后，我才真切地感受到，想要降解一氧化氮可真不容易，别说高浓度了，就是在低浓度的情况下，也还需要更好的材料才行。所以，光催化降解“毒气”是一种途径，但目前来看，效果也比较一般，我们还需寻找更好的介质进行实验研究。