改性β-Bi2O3可见光催化还原水中卤代有机物机理及产物资源化研究

Halogenated organic compounds (HOCs), a kind of highly toxic persistent organics, are widely distributed in the natural water-body and wastewater. It has been viewed as a serious threat to the ecological environment and human health. Dehalogenation and conversion of HOCs into available industrial resources are of importance for the protection of water environment and development of recycling economy. HOCs can be dehalogenated and degraded into hydrocarbons and its derivatives with low toxicity by photocatalysis under the irradiation of sunlight. In this project, we try to employ β-Bi2O3 as a model photocatalyst, and modify its band structure by the lattice replacement, to enhance its reductive activity under the irradiation of visible light. We hoped to dehalogenate of typical HOCs, including perfluorooctanesulphonate (PFOS), chlorophenols, polychlorinated biphenyl (PCBs), polybrominated diphenylethers (PBDEs) efficiently, and convert them into alkanes, cyclohexanol, biphenyl and other chemical resources. Moreover, we try to explore the molecular reaction mechanisms and kinetics of the transformation process. The project is proposing novel countermeasures technologically and theoretically for the removal of HOCs from water, and providing experimental and theoretical basis for the harmless treatment and resources recovery of HOCs.

卤代有机物是天然水体和废水中广泛存在的一类具有高毒性的持久性污染物，对生态环境和人类健康构成了严重威胁。将卤代有机物脱卤并转化为可利用的化工资源对水环境保护和循环经济发展具有重要意义。可见光催化还原过程可在太阳光照条件下实现对卤代有机物的脱卤降解，将其转化为低毒的烃类及烃类衍生物。本项目拟采用β-Bi2O3作为模型光催化剂，通过晶格取代进行掺杂能带改性提高其可见光催化还原能力，以实现对典型卤代有机物，包括全氟辛烷磺酸、氯酚、多氯联苯、多溴联苯醚等的高效脱卤降解，将其转化为烷烃、环己醇、联苯等化工资源，并探讨该转化过程的分子反应机理及动力学规律。本项目的实施为水中卤代有机污染物的消减提出了新的技术路线和理论方法，并为卤代有机物的无害化和资源化过程提供了实验基础和理论依据。

卤代有机物长期存在于天然水体和工农业污废水中，毒性高，持久性强。光催化可有效降解水中卤代污染物，但目前光催化技术还存在催化效率低、可见光能利用率不高、容易生成高毒性副产物等缺陷，阻碍了该技术在水处理领域的实际应用。.本项目采用第一性原理量子化学计算设计具有选择性催化活性的可见光催化剂，并将其用于对典型卤代有机污染物的脱卤降解。在本项目的实施过程中，我们对量子化学理论计算方法、催化剂合成调变规律、光催化还原脱卤反应途径以及光生水合电子反应机理进行了理论分析和实验研究，建立了以杂密度泛函和电子结构模型为基础的催化剂设计体系，开发了以溶剂热元素掺杂调控光催化剂能级位置的催化剂改性方法，发现了晶格取代掺杂改性过程中的元素周期性规律，阐明了卤代有机污染物光催化降解过程中光生水合电子的作用机制，揭示了典型卤代污染物的还原脱卤分解路径，提出了以可见光催化高效安全地降解水中卤代污染物的技术方法，形成了一整套从催化剂理论设计，实际合成应用，到选择性催化分解，最终实现污染物彻底脱毒并部分分离回收的研究/应用思路。.研究首次发现了元素电负性、离子半径、电子逸出功等特性在掺杂改性过程中对光催化剂光吸收能力和氧化还原催化活性的关键性作用；首次阐述了催化剂合成过程中阳离子同晶取代导致晶格失稳，并在压应力和拉应力作用下形成新能带结构的异常现象；首次提出了以金属/半导体/金属构成双肖特基势垒“三明治”结构，抑制p型半导体光蚀，提高光催化剂稳定性和催化活性的催化剂合成路线；借助原位电子自旋共振技术捕获了光催化还原脱卤化过程中的关键自由基—光生水合电子，为光催化脱卤化反应提供了实验基础。总的来说，本项目为光催化剂设计开发领域提出了新的研究思路，为水中卤代有机污染物的消减提出了新的技术路线和理论方法，并为卤代有机物的无害化和资源化过程提供了理论依据和数据支持。