氧化石墨烯包覆体可见光催化还原水中HDBPs及其界面H+/H•限域传输转化机理研究

Halogenated disinfection by-products (HDBPs) produced during the traditional disinfection process will bring potential water quality safety risks due to nerve, reproductive, and genetic toxicity. Photocatalysis is an important technology for the treatment of HDBPs pollution, but the energy efficiency and selectivity of traditional photocatalytic oxidation processes have yet to be improved. In this study, the graphene oxide (GO) coated carbides semiconductor photocatalyst with strong photocatalytic reduction ability was designed and synthesized for the dehalogenation and detoxification of HDBPs in water. Based on the simulation and in situ characterization, We attempt to reveal the transfer/conversion mechanism of proton (H+) and hydrogen (H•) in the confinement space of GO-coated semiconductor interface, and elucidate the dehalogenation and detoxification molecular reaction mechanism of HDBPs under the attack of H•, discuss the process strategy and operational efficiency of treating HDBPs pollutants in water. This study will provide data support and theoretical basis for the research of environmental photocatalytic technology, interface reaction theory and HDBPs purification mechanism.

饮用水消毒过程中产生的卤代消毒副产物（HDBPs, halogenated disinfection by-products）由于具有神经、生殖及遗传毒性，会带来潜在的健康安全风险。光催化是处理HDBPs污染的重要技术选择，但传统光催化氧化技术的能效和选择性还有待提高。本研究拟设计合成具有强光催化还原能力的氧化石墨烯（GO）包覆碳化物半导体光催化剂用于水中HDBPs脱卤脱毒，基于计算模拟及原位表征，揭示质子（H+）和氢自由基（H•）在GO包覆半导体相界面间限域传输/转化机制，阐明HDBPs在H•作用下还原脱卤的分子反应机理，并探讨以该技术处理水中HDBPs污染物的工艺形式和运行效率，为环境光催化技术、界面反应理论、HDBPs净化机理等领域的研究提供数据支持和理论依据。

本项目的主要研究内容是以水中HDBPs等卤代有机污染物为研究对象，设计开发高活性、高稳定性的半导体光催化剂，并将其用于处理水中HDBPs污染物，实现脱卤脱毒、净化水质之目的。重点针对“强还原能力的半导体光催化剂的设计合成”、“相界面H+/H·限域传输与转化机理”、“催化还原脱卤分子反应机理”等科学问题进行研究。项目运行过程中，除在光催化污染物净化领域的研究外，也在光电复合催化、光催化降解污染物协同产氢、工业及城市污废水深度处理等研究领域进行了拓展性的探索研究。项目成功实现了：.(1) 基于第一性原理密度泛函理论计算，构建了不同结晶结构和掺杂水平的N-TiO2、SiC、ZnC、C1N2、C3N4、Pt1CNS@C3N4等光催化剂的理论模型；优化剥离石墨烯的电化学法，形成了稳定可靠的GNM纳米孔刻蚀技术和GNM超声相分离法，在此基础上开发了2种新型光催化材料。.(2) 揭示典型HDBPs及其类似化合物在特定水质条件下，光、电及光电复合催化降解动力学和热力学规律，基于关键中间产物和活性自由基H+/H·半定量分析，阐明了其分解路径，提出了以超声雾化强化光催化降解污染物协同产氢的工艺思路，优化了以惰性金属离子调控催化活性和多级光电管深度处理技术方法，在处理含HDBPs的城市再生水中取得了显著效果。.(3) 提出在光辐射或电场诱导能量激发下，以原子相贵金属作为电子复合的陷阱诱导H+/H·定向迁移和转化的限域空间的氢溢流反应机理。该机理对建立新的异质通路、析氢强化HDBPs脱卤等反应有重要意义。.(4) 开展与加州理工学院、耶鲁大学，佐治亚理工学院等课题组国际合作，将光化学深度净水技术应用于城市生活污水处理过程，探索了光催化、光电复合催化技术在水处理领域的实际应用潜力，并实现了技术成果转化3项。.项目取得了丰硕的研究成果。发表期刊论文16篇，申请发明专利12项，授权专利8项，培养硕士博士研究生12人，毕业7人，晋升副高级职称3人。