高效光催化材料的研制及其產(chǎn)品應(yīng)用

王育華

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，人類生活環(huán)境和健康飽受各種污染侵蝕。例如，我們的住房和室內(nèi)裝修材料仍然存在許多難以消除的污染問(wèn)題。進(jìn)入21世紀(jì)后，在全世界環(huán)保技術(shù)和產(chǎn)品相對(duì)滯后的背景下，環(huán)境污染控制和治理成了人類社會(huì)面臨的亟待解決的重大問(wèn)題之一。

在眾多環(huán)境污染治理技術(shù)中，以半導(dǎo)體氧化物為催化劑的多相光催化反應(yīng)，因具有室溫條件反應(yīng)、深度礦化凈化、可直接利用太陽(yáng)光作為光源來(lái)活化催化劑并驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)等獨(dú)特性能，成為了一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)。

過(guò)去幾十年，光催化劑被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括光解水、CO₂還原制備清潔能源，污水處理和空氣凈化等。但是，由于較低的光利用率以及光生電子空穴的快速?gòu)?fù)合，光催化反應(yīng)的效率仍然較低。為提高光催化的活性，我們實(shí)驗(yàn)室在以下三個(gè)方面進(jìn)行了深入研究：

一、通過(guò)摻雜、缺陷設(shè)計(jì)和全光譜催化劑開發(fā)增強(qiáng)光吸收

制備的硼摻雜石墨烯/TiO₂納米棒光催化材料相比商用P_2.5和一般石墨烯TiO₂復(fù)合材料有更強(qiáng)的氮氧化物降解能力和光催化活性，最佳樣品在紫外光短暫照射下可降解56.7%的污染物【1】；通過(guò)簡(jiǎn)單的一步熱水法合成了富含氧空位的SnO₂納米顆粒，氧空位的引入減小了SnO₂的帶隙并擴(kuò)展了價(jià)帶寬度，極大的增強(qiáng)了可見(jiàn)光吸收和光催化效率【2】；研制的P_2.5/（NH₄）_xWO_{3復(fù)合光催化材料吸收范圍在200～2500nm，實(shí)現(xiàn)了全光譜吸收，有效利用了太陽(yáng)能【3】。}

二、通過(guò)形成異質(zhì)結(jié)、貴金屬沉積和與碳材料復(fù)合來(lái)提高載流子分離

通過(guò)一步熱水法制備了CaSn（OH）₆-SnO₂復(fù)合光催化材料，由于CaSn（OH）₆-SnO₂異質(zhì)結(jié)可促進(jìn)載流子分離，因此復(fù)合材料的光催化活性高于CaSn（OH）₆【4】；研制的Au納米顆粒修飾的TiO₂納米管，Au納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)有效促進(jìn)了光生電子空穴的分離，得到的樣品在可見(jiàn)光下有較強(qiáng)的亞甲基藍(lán)降解能力【5】；通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)沉淀法在DMF溶液中得到了Ag₃PO₄/RGJOs復(fù)合光催化材料，RGOs的引入提高了Ag₃PO₄的穩(wěn)定性，并且有效提高了載流子分離能力【6】。

三、通過(guò)形貌控制和晶面設(shè)計(jì)提高載流子轉(zhuǎn)移

通過(guò)共沉淀法得到樹枝狀、四足狀、棒狀和三棱柱狀的Ag₃PO₄新形貌，該方法快速易得，不需要模板，且制得的新形貌相較于傳統(tǒng)Ag₃PO₄形貌有較強(qiáng)的光催化活性；通過(guò)水熱法制備了（131）晶面暴露的Bi₂MoO₆和（040）晶面暴露的BiVO₄，且Ag₂O可以選擇性地沉積在這些特定高活性晶面上，有效提高了載流子轉(zhuǎn)移【7】。

利用以上方法制備的光催化材料，都是具有環(huán)境凈化與自潔功能的新型材料，能夠在太陽(yáng)光的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的氧化還原能力，可催化光解附著于其表面的各種有機(jī)物及部分無(wú)機(jī)物，特別適用于除去空氣及水中的污染物質(zhì)及微生物，并能使各種光催化制品表面產(chǎn)生殺菌、消臭、自潔及超親水等功能。將光催化材料與建筑材料等相結(jié)合，可有效解決日趨嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。

基于以上工作基礎(chǔ)、日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，以及具有光催化作用的建筑材料的良好市場(chǎng)前景，我們實(shí)驗(yàn)室與上海榮富新型材料有限公司開展了產(chǎn)學(xué)研合作，成功制備出了兩種新型光催化劑：一種微量磷酸銀敏化二氧化鈦光催化劑的制備方法，以及硼摻雜石墨烯/TiO₂納米棒光催化劑的制備方法。

其中，前者通過(guò)充分研磨，制得了磷酸銀/二氧化鈦復(fù)合光催化材料，與單一磷酸銀和二氧化鈦相比，光降解能力更強(qiáng)，40分鐘可以徹底降解亞甲基藍(lán)污染物，且制備時(shí)間短、制備過(guò)程簡(jiǎn)單易行、成本低廉、節(jié)能環(huán)保、靈活方便；后者相比未摻雜石墨烯，硼的摻入使石墨烯導(dǎo)電性能和表面負(fù)載自由電荷密度變得更高，并且能夠吸附氮氧化物等有害氣體，更利于光生電荷的分離以提高光催化效率，以及有害氣體在石墨烯表面的吸附和分解。

同時(shí)，我們研制了一種新型、簡(jiǎn)單的室內(nèi)可見(jiàn)光照射下具有高效光催化活性的玻璃，其在室內(nèi)照明光源照射下能夠發(fā)揮凈化空氣、降解有機(jī)污染物的作用，同時(shí)又不顯著影響玻璃的透光性，且制備方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，在玻璃表面涂覆的硼氮共摻雜TiO₂納米晶涂膜分布均勻。

我們還研制了氮摻雜石墨烯/TiO₂復(fù)合光催化材料涂覆的鋁板，其在室內(nèi)可見(jiàn)光照射下能夠有效降解污染物，起到室內(nèi)空氣凈化作用，且所涉及的噴涂涂覆法便于操作，不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備，不需后續(xù)高溫退火過(guò)程，從而不會(huì)導(dǎo)致鋁板受熱變形。

上述產(chǎn)品均已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利，并獲得授權(quán)，有望在建筑材料行業(yè)廣泛應(yīng)用，減少日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題，創(chuàng)造良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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