天然闪锌矿日光催化性能原位降解氯乙烯污染物方法研究

本项目研究拟围绕天然闪锌矿日光催化作用原位降解氯乙烯反应中，光生电子发生能量转化被异位捕获的动力学过程和微观作用机制这一关键科学问题，以环境矿物学与环境科学研究方法为指导，结合电化学和有机化学分析手段，在系统开展天然闪锌矿电极表面形貌、缺陷、比表面积、荷电性、能带结构等半导体矿物学特征和电极电势、内阻、电极阻抗等电化学性能研究的基础上，以双室光化学电池作为模拟反应装置，逐一开展不同介质条件下闪锌矿光催化作用原位还原降解氯乙烯的实验研究，筛选出使氯乙烯发生彻底、有效脱氯降解的最佳实验条件，重点探讨光生载流子在固/液相界面迁移、转化的精细反应过程和微观作用机制，提出利用天然闪锌矿光化学电池原理原位降解氯乙烯地下水污染物的环境矿物学新方法，为有效降解我国点源地下水污染中分布广、毒性大的氯乙烯有机污染物提供理论支撑。

本项目研究围绕日光-半导体矿物－卤代烃污染物三元体系，采用矿物学、电化学、有机化学、微生物学与环境科学交叉学科研究手段，在系统开展天然闪锌矿电极表面形貌、缺陷、比表面积、荷电性、能带结构等半导体矿物学特征和电极电势、内阻、电极阻抗等电化学性能研究的基础上，利用双室光化学电池模拟反应装置进行了可见光下天然闪锌矿光催化作用原位还原降解三氯乙烯的实验研究。在天然闪锌矿半导体光电催化特性、增强闪锌矿日光响应的改性方法、闪锌矿日光催化降解氯代有机物的机理以及闪锌矿与化能微生物协同强化光生电子的转移机制研究等方面取得如下重要进展：1）天然闪锌矿矿物电极在420 nm单色光照射下具有最高的光-电转化效率0.91%；2）空气气氛下对天然闪锌矿热改性处理可获得具有更好日光响应性的二元复合半导体光催化剂ZnO/ ZnFe2O4；3）天然闪锌矿日光光生电子阴极还原降解三氯乙烯的反应机制是一个逐步加氢还原脱氯的过程，其中阴极电子界面转移利用效率为52.6%，提出提高氯乙烯原位降解效率的关键是提高半导体矿物界面光子-光生电子-电子的转化效率；4）天然闪锌矿和化能自养微生物A. ferrooxidans的协同作用可显著提高光生电子的转移速率和利用效率，使光子-光生电子-电子的转化效率从闪锌矿单一作用下的0.06%，提升到闪锌矿与微生物协同作用下的0.24%；5）提出日光－半导体矿物－非光合微生物协同作用新方式与能量转化机制，为进一步开展利用闪锌矿与微生物协同作用强化氯代有机污染物原位降解研究奠定理论基础。