第2节

催化作用与窗户清洁

在化学催化的例子中，我提到它们通常需要热能输入。对窗玻璃来说，能量来源是太阳。窗户外部的一个问题是它们会变脏，尤其是倾斜的玻璃结构，如温室、暖房或摩天大楼覆层，窗玻璃表面会积聚各类污垢，比如灰尘和鸟类留下的污渍。与其依赖频繁的人工清洁，不如寻找一种能够进行表面自清洁的玻璃，但它们需要借助一些雨水和阳光。我们已经开发出一种能够满足这种需求的催化方式，这样的玻璃表面有二氧化钛（钛的氧化物）涂层。这种设计是可行的，图13.3解释了具体的科学原理。

化学反应的能量来自阳光，而清洁层来自雨水。二氧化钛不会因清洁作用而消耗或磨损，因为它牢固地附着在玻璃表面，但它是非常有效的催化剂。这项技术也被应用于涂料中，但生产一种不会侵蚀自身黏合剂的材料极具挑战性。在实验应用中，用光催化涂料涂覆在公路隧道的墙壁上，然后用少量紫外线照射墙壁，不仅可以保持墙壁清洁，还可以将车辆尾气中的氮氧化物污染减少50%。

图13.3 自清洁窗玻璃

注：二氧化钛（氧化钛）包括一系列氧化物TiOx，其中x值在1和2之间连续变化。作为窗玻璃上的涂层，它接近于透明的二氧化物。来自太阳的紫外线可以将电子从较低的能带激发到较高的空能带。在表面缺氧时，二氧化钛会对蓝光和紫外线产生额外的反应。温室适合采用蓝色玻璃屋顶，即使在雾蒙蒙的日子里，它也会给人一种蓝天的印象。但我怀疑除此之外还有另一个重要原因，即缺氧情况下二氧化钛呈蓝色（这是一个具有正面意义的缺陷）。经紫外线激发的电子（负电荷）和空穴（正电荷）会产生两种类型的化学反应。电子与大气中的氧气反应，普通的氧气被激发，变成一种具有杀伤力的超氧自由基。空穴与表面的水反应形成中性氢氧化物。超氧化物很容易发生化学反应，攻击、破坏和分解玻璃表面的微生物、细菌和其他污垢。中性氢氧化物改变了玻璃和水之间的一般吸引力水平，使其在整个表面上平滑地扩散（称为超亲水性）。光滑的液体表面没有阻碍液体流动的液滴或点，因此所有表面污垢都可以从表面流走，玻璃可以完成自清洁。

具有结构化表面的自清洁玻璃

另一种有助于保持玻璃表面清洁的机制正好相反。不是用超亲水表面来吸引水，而是用化学方法来排斥水——制造超疏水表面！果然还是要利用缺陷，但这一次不是通过化学催化反应，而是从平面玻璃表面转变为非常精细的结构化表面。结构化表面需要尺寸为几微米（即发丝直径的百分之几）的凸起。在表面不沾水的模型中，空气被困在凸起之间的空隙里。因此，在表面上形成的水滴会被推离表面。它们不会黏在表面上，而是在凸起处滚动，从而保持表面清洁。如果玻璃表面有污垢和水，那么污垢颗粒就会被水带走。

这个方法来自对荷叶自洁特性的原因研究，荷叶的表面结构使其具有不沾水的特性。这种结构方法并不局限于荷叶和玻璃，还可用于织物等各类物品的表面。它为未来的自清洁技术开辟了道路，可应用的产品既有服装，也有商店的遮阳篷和帐篷等。尽管现在已经有了自清洁材料，但有关结构化表面效果的研究非常新颖，未来市场前景广阔。

微量元素的开采和回收

虽然在我们发现的矿物中存在微量元素，但将它们用化学方式进行分离、提纯并不容易。对某些元素来说，一克的质量就有极高的价值，因此我们有必要思考如何用更加划算的新方法来提取这些有价值的微量元素。为了使读者了解提取微量元素需要付出的努力，我们以铂的提取为例。要提取1克的纯铂金，需要开采约40吨矿石，粉碎洗涤并加工。其他元素的提取甚至更加麻烦，并且只限于极少数地方。从经济的角度来看，这些杂质最终都成为极有价值的产物。铂和铑等贵金属材料可用于催化转化器（但由此导致的一个不幸后果是，许多汽车排气系统会成为偷盗的目标）。汽车排气系统内的催化转化器在使用过程中会出现老化、生锈和材料损耗，由此产生的污染物在高速公路上以灰尘的形式出现。从经济的角度看，对许多主干道来说，如伦敦周围的M25高速公路，可以用吸尘器吸走路边的灰尘，以提取昂贵的金属离子。这样做的成本比采矿更低！

我们也可以从其他产品中挖掘有价值的材料。有一位曾教过我光学的教授，他在第二次世界大战后购买了大量来自雷达系统的废弃速调管，并从中取出了铂电极。他由此获得了可观的利润，为刚刚成立的物理系提供了发展资金。

海洋中也存在低浓度的珍贵物质，如黄金或铀，但浓度仅为十亿分之几。这样听起来并不是划算的买卖，但由于开采成本极低，因此我们有必要考虑一些新的分离方法。更令人惊讶的是，在日本长野有一家污水处理厂，据报道，那里燃烧污泥所产生的每吨灰烬可提取近2千克黄金。这远远超过了当地金矿的开采效率，在金矿中，每吨矿石只能开采出20～40克黄金。这显然是一种极个别的特殊现象，其原因在于污水处理厂要处理贵金属工厂排放的污水。

即使没有科学或工业背景，我们也知道金、银等材料非常昂贵，但你可能没有意识到其他使金属价格波动的关键因素。铝或锡等金属的价格往往相当稳定，但铜、银或铟以及稀土等金属的价格在短短几年内上涨了300%至500%，甚至更多。铟（用于制造智能手机屏幕）和稀土元素非常容易出现价格的波动，因为这些元素仅储藏于少数国家，因此这些国家占据垄断地位。在半导体仪器中，由于这类金属的含量很少，即使被淘汰的电子器件有数十亿个，对它们进行再处理的意义也不大。因此，保存和回收此类材料是一个有趣的问题，其中可能有丰厚的利润。