基于光波导效应的内通光光催化及其工业水处理应用中的基础问题

The mechanism of traditional photocatalysis is based on photodegradation effect of photo-induced carrier when the surface of photocatalyst nanoparticles is irradiated by light. For this photocatalysis technique with outside-light-supply mode, light utilization efficiency is quite low, the catalyst is often out-of-work, and recycle cast is very high, which is the great obstacle for its practical application in environmental protection. To solve the above problems, we suggested a new photocatalytic system to realize optical coupled input, transportation in optical wave guide fiber, a coupled out to photocatalytic nanocrystals by construction of a non-crystal fiber-TiO2 nanocrystal array hybrid fibrous photocatalysts. In this project, we will focus on teh physical mechanism of wave guide behavior of incoherent light with broad band on coupled input, inner transfer, and coupled output to TiO2 nanocrystals on the surface of non-crystalline fiber. Most importantly, coupled generation and transfer mechanism of photo-induced carriers in inner-light-supplied photocatalysis system will be addressed. Based on above investigation, a novel 3D continuous photocatalysis technique will be built, and was made the tries in water-treatment industry. In this proposal, we suggested wave guide of broad-band incoherent light targeted to photocatalysis and proposed inner-light-supply photocatalysis, which will be great important in optical wave guide theory, and have great potential in water treatment industrial application.

传统光催化是光照射半导体催化剂时经表面光电耦合产生的载流子对有机污染物降解。这种外通光光催化模式使得光的利用率低、催化剂易失效、回收利用困难、难以实现连续水处理，制约了其在环保中的应用。本研究提出利用光的波导传输与界面耦合原理，通过在非晶光导纤维表面组装二氧化钛纳米晶阵列和不同带隙的光催化剂纳米颗粒，实现光的收集、传输及向纳米晶中注入，和内通光模式的光催化，从根本上解决上述问题。项目重点研究宽谱非相干光向光导纤维的耦合输入，纤维内波导传输和向氧化钛纳米棒阵列耦合输出过程中的光物理基础，一维半导体内部及其表面异质结构的内通光光催化过程中的光-电耦合和载流子输运机制，实现以人造光和太阳光为光源的立体连续光催化，开展产业化技术研究，并进行工业水处理示范。这一研究首次提出光催化为目的宽谱非相干光波导传输和内通光光催化，拓宽了光波导理论并提出新的光催化反应机制，具有重要理论价值和巨大的工业应用前景。

常见的光催化剂光活性波段集中在紫外和可见区，且催化效率较低，难以实现利用太阳光进行污水快速处理，而且传统纳米颗粒光催化剂是利用悬浮溶液外通光模式进行光催化反应，光散射限制了光传播距离，进而限制了水处理空间深度，是光催化工业污水处理的最大技术障碍。本项目通过对光催化光的传播方式、光生载流子分离和光催化剂活性波段拓展的研究，解决上述问题，取得了创新性研究成果。提出了波导传输-内通光新型光催化原理，以光导纤维-半导体纳米晶纤维状复合光催化材料为研究对象，开展了光导纤维中光的耦合输入与波导传播、光在非晶-半导体界面的耦合输出、以及内通光光催化过程中光电耦合与载流子传输机理的研究，实现了波导纤维-纳米晶复合光催化剂的设计与大面积制造技术，开发了连续光催化技术，研发了基于光催化的污水连续处理装置并用于工业污水处理。取得的重要进展及其意义包括：（1）提出利用光折射率差别实现光的长距离波导传输和界面耦合输出，发现了内通光光催化机制，通过理论和实验验证了光在光导纤维-半导体复合纤维光催化剂中的波导传输-内通光原理，为高效光催化研究提供了新方向；（2）发现了拓宽光催化响应波段的新现象，提出了红外光催化剂的设计策略，为全太阳光谱光催化污水处理技术提供了重要支持。发现了磁场对光生载流子的调控作用，提出了利用不同的磁-电荷相互作用机制促进载流子分离通过光催化性能的新方法，开辟了磁场辅助光催化这一新领域;（3）实现了波导纤维-半导体复合光催化纤维与织物的批量制备技术，为新型光催化剂用于工业污水处理奠定了基础；（4）研发了多款光催化污染物处理的催化剂与装备，并用于造纸和印染污水的深度处理。相关研究成果在国际重要学术期刊发表27篇，获得发明专利授权7项，提出的光催化增强新机制受到了国际关注，于2019、2020年分获山东省和重庆市自然科学一等奖。