光生电荷定向迁移型光催化剂对重金属-难降解有机物复合污染的协同降解研究

A series of photocatalysts with effect of space charges directional migration are designed and prepared, which are used to remove heavy metals and toxic organic compounds simultaneously. With introducing electron or hole trapping agent on different positions of TiO2 and other semiconductors photocatalysts with special structures of core-shell or mesoporous single crystal, it makes photo-induced electron and hole have truly directional migration and separation in space, which extend the lifetime of electron and hole. It will increase the photocatalytic degradation efficiency to reduce heavy metal ions and oxide organic contaminants in waste water. The mechanism which space charges separation effect promotes photocatalytic degradation of heavy metals and toxic organic compounds simultaneously in waste water is emphasisly studied. Structure-function relationship of core-shell and mesoporous single crystal structures and redox activity is also investigated. The physicochemical properties of the catalysts are charecterized to investigate the relation between the structure of the materials and their photocatalytic performance, then to clarify the synergistic photocatalytic removal mechanism of the two kinds of compounds. These results will provide systematic theory and approach to the development of efficient photocatalysts for toxic wastewater deep treatment.

针对重金属-难降解有机污染物共存的复杂废水体系，设计并制备一系列具有空间电荷定向迁移效应的光催化剂，并将其应用于同步光催化重金属还原-有机污染物氧化协同反应。通过在核壳或介孔单晶等具有特殊结构的TiO2等光催化剂的不同位置分别引入电子或空穴捕获剂，从而在空间上真正实现光生电子与空穴的定向迁移与分离，进一步提高电子与空穴的寿命，以达到提高其对废水中重金属离子的还原与有机污染物的氧化降解效率的目的。研究空间电荷分离效应促进光催化同步降解重金属-有机污染物废水的机理，以及核壳与介孔单晶等结构与氧化还原活性之间的构效关系。利用各种分子分光法研究光催化剂的结构-性能关系，阐明其对复合污染体系中两类污染物协同作用机理，以及各种不同结构光催化剂导致的反应性能及作用机制的差异，为开发基于复合污染控制的高效光催化污/废水处理技术提供基础与理论支撑。

工业废水中存在着大量的重金属及有毒难分解有机物复合污染。目前对重金属污染处理方式主要有化学沉淀法、化学还原法、吸附法等。对有机污染物的处理方法主要集中于高级氧化法、吸附法、生物法等。单一的处理方式难以满足对两种污染物同时处理，且效果较好的吸附法等处理成本较高。本研究利用绿色经济的光催化技术对重金属-有机物复合污染进行处理。通过设计并制备一系列具有空间电荷定向迁移效应的光催化剂来实现电子与空穴定向分离。通过在核壳等特殊结构的不同位置引入电子及空穴捕获剂，将重金属离子还原位点及有机污染物氧化位点分离以提高两者协同降解的效率。研究空间电荷分离效应促进光催化同步降解重金属-有机污染物废水的机理，以及核壳与介孔单晶等结构与氧化还原活性之间的构效关系。在项目的支持下，我们团队取得了以下创新性成果：（1）通过负载不同类型助催化剂实现了电子空穴有效分离，通过在壳核结构纳米催化剂内外表明分别负载助催化剂实现污染物吸附的空间分离；（2）通过构建晶面异质结及不同纳米材料间的异质结诱导电荷定向迁移；（3）通过多种方法捕获了光催化降解污染物的中间活性物种，为光催化降解污染物提供了理论支撑。在项目的支持下，项目负责人以第一或者通讯作者发表了SCI论文51篇，1篇Chem. Soc. Rev.、1篇J. Am. Chem. Soc.、1篇Nature Commun., 1篇Nano Lett.、7 篇Appl. Catal. B、2篇Chem. Eng. J.,等，其中IF＞10的论文13篇，申请发明专利5项。本项目对光催化重金属-难降解有机物复合污染的协同降解问题开展了系统研究，揭示了影响光催化重金属-难降解有机物协同降解的本质因素，为多孔材料、空心材料、介孔单晶材料、各类助催化剂材料在光催化协同降解重金属-难降解有机物领域的实际应用提供实验基础与理论依据。