淺析木質材料在光催化領域中的應用

段濤　葛慧琳　李明馨　夏潔　何秉航　丁小波

摘 要：木質材料的應用范圍隨著納米技術發展不再僅僅局限于傳統建材家具行業，其在能源儲存、海水淡化和廢水處理等新興領域也逐漸嶄露頭角。木質材料的獨特結構與成分組成，如強柔韌性、高孔隙率、高比表面積及易于調控的表面化學特性使其在光催化降解廢水方面有著得天獨厚的優勢，為我國有機廢水降解處理提供了新興的研究方向與材料備選。

關鍵詞：木質材料 光催化 廢水處理

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0086-02

光催化作為材料科學、光電化學和環境科學等多學科交叉的新興領域。隨著光催化劑的發展與突破，如可見光誘導的光催化劑研究的突破，光催化材料超親水性的發現，超分散及可見光活性的突破，使得光催化在多個領域有了廣泛應用，如有機物的降解、水和空氣的凈化、生態建筑材料等。但其仍存在許多亟待解決的問題，如光電子傳輸效率低，濃度高的廢水和廢氣降解效果不佳；多相光催化反應機理難以得到有效清楚的解釋，制約著改進新型高效催化劑的研究推進。但光催化技術以其高效安全環境友好的特性將取代傳統的技術，具有廣闊的發展空間。木質材料在過去幾年的研究中，在抗沖擊能力、導電方面等都取得了迅猛的發展，現已有文獻報道做出透明木材復合材料，其光學性質（包括霧度，正向透射率）水平可高達90%以上[1]，同時木材復雜的多孔管道結構提供最佳的垂直污水通過的渠道，能夠吸收大量的有機化合物，其優異的導光特性、復雜微觀結構和快速運輸物質的能力具備廣闊的應用前景。

1 木質材料的處理與催化應用

1.1 透明木質材料制備方法

木材的主要成分有纖維素、半纖維素和木質素，不同的木材因結構層次的變化，表現出不同孔隙率、導熱率和機械性能。制備透明木材的方法都大同小異，首先是選擇強堿和具有漂白性質的混合溶液進行加熱漂洗，以掏空木材中木質素。不同木材均具有相似的垂直排列通道，在聚合物滲透進相互連接孔隙的網絡結構之后，木材中含有的纖維素和聚合物之間折射率不匹配，使光可以沿著纖維素和聚合物傳導，最終透明木質材料顯示出高透射率，且保持了良好微觀結構。研究表明[2]對于聚合物的選擇，需滿足的要求是折射率接近1.5且具有低粘度。

1.2 其他木質材料制備方法

通過在惰性氣氛中高溫碳化木材，以制造低密度的生物多孔碳材料，可通過原位沉積光催化物質涂層，同時保持連續有序的通道結構；也可用化學沉積法進行物質附著處理，但若相應官能團嫁接，材料呈不穩定狀態。

1.3 木質材料的光催化應用

木質材料經過改性處理之后，當光通過光催化材料時，導帶中的電子吸收光子然后轉移到價帶，電子和空穴仍然連接在一起。在擴散作用下，光生電子和空穴被分離，所得到的具有強氧化性的空穴與染料接觸，進行氧化還原反應，從而使染料分解。光催化物質與木質的復合材料提供了更大的比表面積，有效地提高了光利用效率。

二氧化鈦作為常見的光催化劑，其光催化活性取決于二氧化鈦自身的相結構和組成、顆粒尺寸、比表面積等。然而由于二氧化鈦的半導體能帶較寬，本身并不能滿足各種類型反應的要求，經紫外線的激發后光生電子與空穴對復合幾率高，光催化活性大幅下降，并且可見光的利用率低，阻礙了其實際應用。可采取貴金屬修飾、制造多組分異質結、增加表面積、調控能帶結構等各種途徑來克服這些缺陷，以促進光吸收及增強光載流子傳遞速率，影響活性自由基的產生。對于如二氧化鈦一類具有相同性質的光催化劑，選擇與木質材料復合以增加載流子傳輸速率和比表面積達到提高光催化降解染料的效果，將會是木質復合材料運用的熱點方向。

在HuiMei與其同事的研究[3]木質復合材料的可見光催化降解羅丹明B，在黑暗環境中建立吸附解吸平衡期間，木質復合材料展現了非常好的染料分子吸附效果，高吸附效率有利于光照下的催化降解，且復合材料比未符合材料相比，有效提升了2.2倍左右的的降解效率，體現了復合木質材料的高光利用效率與強光催化活性。

2 展望

就當前發展形勢而言，多功能木質材料在理論與實踐方面都實現了重大突破并展現了應用價值。其已經在太陽能蒸汽發電[4]可生物降解等方面相較于傳統材料具有其巨大的優勢，并且在不斷深入研究木質材料之后，其獨特性能優勢如導光能力強也逐漸被發現。除此之外，相信木質材料還具有其他一些隱藏的尚未發現的優秀特性有待進一步研究。透明木材參雜或者復合其他具有光催化性質的金屬氧化物會是今后木質材料光催化的研究方向之一，我們期待木質復合材料在光催化處理有機廢水行業取得更輝煌的成績并引領我們去挖掘更多的未知領域。

參考文獻

[1] Li T ， Zhu M ， Yang Z ， et al. Wood Composite as an Energy Efficient Building Material： Guided Sunlight Transmittance and Effective Thermal Insulation[J]. Advanced Energy Materials， 2016：1601122.

[2] Jiang F ， Li T ， Li Y ， et al. Wood-Based Nanotechnologies toward Sustainability[J]. Advanced Materials， 2017：1703453.

[3] Hui M ， Weizhao H ， Chengxu H ， et al. A novel approach to strengthen naturally pored wood for highly efficient photodegradation[J]. Carbon， 2018：S0008622318306390-.

[4] Jia C ， Li Y ， Yang Z ， et al. Rich Mesostructures Derived from Natural Woods for Solar Steam Generation[J]. Joule， 2017， 1（3）：588-599.