氯酚类污染物处理研究获得新进展
2015-06-23 10:42:00   来源:中国科学院
内容摘要
为解决工业废水处理领域所面临的氯酚类化合物处理等问题,中国科学院新疆理化技术研究所研究人员开发了一系列具有优异脱氯性能的极性光催化材料,并开发了基于d0电子构型的过渡金属V原子及B-O结构协同调控的在紫外-可见光下具有较好响应的光催化剂Na3 VO2B6O11。

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氯酚类化合物被广泛用作木材的防腐剂、防锈剂、除草剂、杀菌剂和造纸等工业中,具有恶臭、异味和高度毒性,是当前新疆工业废水处理领域所面临的主要挑战之一。目前主要的处理方法有吸附法、混凝法、光化学氧化法等,但这种传统的物理、生化或者化学氧化法难以达到满意的效果,开发以催化材料为核心的技术是解决这一难题的重要途径。然而,光催化反应过程中如何有效提高光生载流子分离以及拓宽材料对可见光的吸收范围一直是该研究领域的关键科学问题。

基于此,中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室近年来致力于利用具有内建电场的极性材料在光激发作用下能有效分离光生载流子的优异特点,开发了一系列具有优异脱氯性能的极性光催化材料。科研人员首先开发了一种在紫外光作用下具有较高脱氯性能的B-O基光催化材料K3B6O10Br,研究发现该材料对氯酚类污染物的脱氯速率是商业用P25脱氯效率的数十倍。究其原因,发现极性材料在极化状态(电偶极矩)发生变化时,使得晶体外显电性,自发极化方向为从带正电荷(C+畴)的材料表面指向带负电荷(C‑畴)的材料表面。光致电子朝着内建电场相反的方向移动,而光致空穴则朝着内建电场相同的方向移动,分离后的电子和空穴在材料表面进一步发生氧化还原反应。由于电子和空穴在内建电场的驱动下朝不同方向的迁移非常有利于它们的分离,从而较大幅度提高了材料的光催化性能。相关研究结果发表在Chemistry of Materials上。

在随后的工作中,科研人员为拓宽该类材料在可见光下的响应,开发了基于d0电子构型的过渡金属V原子及B-O结构协同调控的在紫外-可见光下具有较好响应的光催化剂Na3 VO2B6O11,研究发现材料中VO4基元有助于材料形成窄带隙的光催化材料,因而拓宽了材料对太阳光的吸收范围。研究结果发表在Journal of Materials Chemistry A 上,并被选为封底文章。

该系列研究有助于深入理解极性光催化光生载流子有效分离的微观机理,为今后制备新型光催化剂和调控光催化反应提供了重要的科学依据。

该工作得到了国家自然科学基金、中科院“西部之光”及新疆维吾尔自治区国际合作等项目的资助。