高效光催化材料的研制及其產(chǎn)品應(yīng)用

王育華

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，人類生活環(huán)境和健康飽受各種污染侵蝕。例如，我們的住房和室內(nèi)裝修材料仍然存在許多難以消除的污染問題。進入21世紀(jì)后，在全世界環(huán)保技術(shù)和產(chǎn)品相對滯后的背景下，環(huán)境污染控制和治理成了人類社會面臨的亟待解決的重大問題之一。

在眾多環(huán)境污染治理技術(shù)中，以半導(dǎo)體氧化物為催化劑的多相光催化反應(yīng)，因具有室溫條件反應(yīng)、深度礦化凈化、可直接利用太陽光作為光源來活化催化劑并驅(qū)動氧化還原反應(yīng)等獨特性能，成為了一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)。

過去幾十年，光催化劑被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括光解水、CO₂還原制備清潔能源，污水處理和空氣凈化等。但是，由于較低的光利用率以及光生電子空穴的快速復(fù)合，光催化反應(yīng)的效率仍然較低。為提高光催化的活性，我們實驗室在以下三個方面進行了深入研究：

一、通過摻雜、缺陷設(shè)計和全光譜催化劑開發(fā)增強光吸收

制備的硼摻雜石墨烯/TiO₂納米棒光催化材料相比商用P_2.5和一般石墨烯TiO₂復(fù)合材料有更強的氮氧化物降解能力和光催化活性，最佳樣品在紫外光短暫照射下可降解56.7%的污染物【1】；通過簡單的一步熱水法合成了富含氧空位的SnO₂納米顆粒，氧空位的引入減小了SnO₂的帶隙并擴展了價帶寬度，極大的增強了可見光吸收和光催化效率【2】；研制的P_2.5/（NH₄）_xWO_{3復(fù)合光催化材料吸收范圍在200～2500nm，實現(xiàn)了全光譜吸收，有效利用了太陽能【3】。}

二、通過形成異質(zhì)結(jié)、貴金屬沉積和與碳材料復(fù)合來提高載流子分離

通過一步熱水法制備了CaSn（OH）₆-SnO₂復(fù)合光催化材料，由于CaSn（OH）₆-SnO₂異質(zhì)結(jié)可促進載流子分離，因此復(fù)合材料的光催化活性高于CaSn（OH）₆【4】；研制的Au納米顆粒修飾的TiO₂納米管，Au納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)有效促進了光生電子空穴的分離，得到的樣品在可見光下有較強的亞甲基藍降解能力【5】；通過簡單的化學(xué)沉淀法在DMF溶液中得到了Ag₃PO₄/RGJOs復(fù)合光催化材料，RGOs的引入提高了Ag₃PO₄的穩(wěn)定性，并且有效提高了載流子分離能力【6】。

三、通過形貌控制和晶面設(shè)計提高載流子轉(zhuǎn)移

通過共沉淀法得到樹枝狀、四足狀、棒狀和三棱柱狀的Ag₃PO₄新形貌，該方法快速易得，不需要模板，且制得的新形貌相較于傳統(tǒng)Ag₃PO₄形貌有較強的光催化活性；通過水熱法制備了（131）晶面暴露的Bi₂MoO₆和（040）晶面暴露的BiVO₄，且Ag₂O可以選擇性地沉積在這些特定高活性晶面上，有效提高了載流子轉(zhuǎn)移【7】。

利用以上方法制備的光催化材料，都是具有環(huán)境凈化與自潔功能的新型材料，能夠在太陽光的作用下產(chǎn)生強烈的氧化還原能力，可催化光解附著于其表面的各種有機物及部分無機物，特別適用于除去空氣及水中的污染物質(zhì)及微生物，并能使各種光催化制品表面產(chǎn)生殺菌、消臭、自潔及超親水等功能。將光催化材料與建筑材料等相結(jié)合，可有效解決日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題。

基于以上工作基礎(chǔ)、日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，以及具有光催化作用的建筑材料的良好市場前景，我們實驗室與上海榮富新型材料有限公司開展了產(chǎn)學(xué)研合作，成功制備出了兩種新型光催化劑：一種微量磷酸銀敏化二氧化鈦光催化劑的制備方法，以及硼摻雜石墨烯/TiO₂納米棒光催化劑的制備方法。

其中，前者通過充分研磨，制得了磷酸銀/二氧化鈦復(fù)合光催化材料，與單一磷酸銀和二氧化鈦相比，光降解能力更強，40分鐘可以徹底降解亞甲基藍污染物，且制備時間短、制備過程簡單易行、成本低廉、節(jié)能環(huán)保、靈活方便；后者相比未摻雜石墨烯，硼的摻入使石墨烯導(dǎo)電性能和表面負(fù)載自由電荷密度變得更高，并且能夠吸附氮氧化物等有害氣體，更利于光生電荷的分離以提高光催化效率，以及有害氣體在石墨烯表面的吸附和分解。

同時，我們研制了一種新型、簡單的室內(nèi)可見光照射下具有高效光催化活性的玻璃，其在室內(nèi)照明光源照射下能夠發(fā)揮凈化空氣、降解有機污染物的作用，同時又不顯著影響玻璃的透光性，且制備方法操作簡單，對設(shè)備要求較低，在玻璃表面涂覆的硼氮共摻雜TiO₂納米晶涂膜分布均勻。

我們還研制了氮摻雜石墨烯/TiO₂復(fù)合光催化材料涂覆的鋁板，其在室內(nèi)可見光照射下能夠有效降解污染物，起到室內(nèi)空氣凈化作用，且所涉及的噴涂涂覆法便于操作，不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備，不需后續(xù)高溫退火過程，從而不會導(dǎo)致鋁板受熱變形。

上述產(chǎn)品均已申請中國發(fā)明專利，并獲得授權(quán)，有望在建筑材料行業(yè)廣泛應(yīng)用，減少日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題，創(chuàng)造良好的社會和經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1].Li.H.，Liu.B.，Wang，Y，Shi，Y，Ma.X.，Wang，X.，Wu.Q-，Shen.R.，Chen.H.，A facile one-step hydrothermal synthesis of a B-doped graphene/rod-shaved TiO₂ nanocomposite.RSC Advance 2014，4，37992-37997.

[2].Yang Y.，et al.Oxygen vacancies confined in SnO₂nanoparticles for desirable electronic structure and enhanced visible light photocatalytic activity.Applied Surface Science 2017，420，399-406.

[3].Yang L.，et al.A P25/（NH₄）xWO₃ hybrid photocatalvst with broad spectrum photocatalytic properties under UV，visible，and near-infrared irradiation.Scientific reports 2017，7，45715.

[4].Liu T.，et al.Highly enhanced photocatalytic activity of CaSn（OH）₆ through tuning CaSn（OH）₆/SnO₂ heterostructural interaction and optimizing Fe3+ doping concentration." Applied Catalysis B： Environmental 2017，217，256-264.

[5] Wen Y，LiuB.，Zeng、W and Wang Y，Plasmonic photocatalysis properties of Au nanoparticles precipitated anatase/rutile mixed TiO₂.nanotubes.Nanoscale，2013，5，9739.

[6].Dong.P，Wang，Y.，Cao.B.，Xin.S.，Guo.L，Zhang.J.，Li.F.，Ag₃PO₄/reduced graphite oxide sheets nanocomposites with highly ethanced visible light photocatalytic activity and stability.Applied Catalysis B： Environmental 2013，132 133，45-53.

[7].Dong.P，Wang，Y.，Li H.，Li H.，Ma X.，and Han L，Shape-controllable synthesis and morphology-dependent photocatalytic properties of Ag_{3<、sub>PO4<、sub> crystals.Journal of Materials Chemistry A 2013，1，4651-4656.}