新型光催化還原淨水材料可除致癌離子—新聞—科學網

2021-01-07 科學網

 

本報訊 近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室環境功能材料研究部研究員李琦及其研究團隊發展出一種高效光催化還原淨水材料，無需加入空穴犧牲劑即可在可見光下高效去除飲用水中常見的致癌陰離子溴酸根。相關研究結果發表於《應用催化B：環境》。

為了提升光催化還原反應的效率，通常需要在反應體系中加入空穴犧牲劑來消耗光生空穴，從而避免光生空穴對還原反應的影響。但是，這種方法增加了處理成本，容易造成水體的二次汙染，不適用於飲用水處理。

貴金屬/過渡金屬具有較高的功函數，與光催化材料結合形成異質結，能夠捕獲光生電子，增強光生電子與空穴的分離，進而提升光催化反應效率，在高效光催化材料設計中得到了廣泛應用。但是，這種光催化材料設計並不能有效消耗掉具有強氧化性的光生空穴，實現有效光催化還原反應仍需依賴在反應體系中加入空穴犧牲劑。在光催化還原材料設計上，若能通過空穴捕獲與消耗來增強光生電子與空穴的分離，就可以在提升光催化還原反應效率的同時避免在反應體系中加入空穴犧牲劑，從而解決上述問題。

經過理論分析和材料篩選，該團隊選擇了半金屬Bi與金紅石TiO2結合形成異質結。作為一種半金屬，Bi有著特殊的物理性質。與貴金屬或過渡金屬相比，Bi的功函數較低，約為4.22 eV，與金紅石TiO2比較接近；塊體Bi與金紅石TiO2結合形成異質結時TiO2產生的光生電子依然能夠被塊體Bi捕獲。隨著其尺寸減小到納米尺度，半金屬Bi從金屬轉變為半導體，伴隨此轉變納米Bi出現導帶位置上升與價帶位置降低的半導體特性。此時，半導體納米Bi的導帶高於金紅石TiO2的導帶，光照下產生的具有強還原性的光生電子將不能向納米Bi轉移，而是留在金紅石TiO2上；而光生空穴能夠轉移到納米Bi上，並通過將Bi氧化為Bi3+從而被消耗掉。該材料體系不僅能夠通過提高光生電子的壽命來提升光催化還原反應效率，而且避免了在反應體系中加入空穴犧牲劑，非常適於光催化還原技術在飲用水處理中的應用。（王心怡）

《中國科學報》 (2017-07-31 第5版 創新周刊)

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