化学所可见光光催化降解污染物及机理研究取得系列成果

2011-1-13 13:31 来源: 中国科学院
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  在国家自然科学基金委、科技部以及中科院的长期支持下,光化学院重点实验室的研究人员在可见光光催化降解有机污染物及其机理方面进行了十几年的系统深入研究。最近应英国皇家化学会综述期刊Chemical Society Reviews的邀请,撰写了题为Semiconductor-mediated photodegradation of pollutants under visible-light irradiation的综述论文 (Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 4206-4219),系统地介绍了该课题组取得的相关研究成果。

  高效安全地消除低浓度、高毒性、难降解有机污染物一直是环境化学领域面临的最具挑战性课题之一。利用紫外光光催化原理降解有机物污染物是国际上的主要方法之一。然而,由于照射到地球表面的太阳光近一半是可见光,因此如何实现利用太阳光中的可见光光催化降解污染物是该领域的一个关键科学问题。

  该课题组从1995年开始致力于染料污染物可见光光催化降解及其机理的研究。研究发现,染料分子吸收可见光被激发后可以向半导体导带注入电子实现了电荷分离,通过半导体导带的媒介作用实现了可见光照射下染料分子和空气中氧分子的同时活化,成功地将有机染料污染物氧化降解。通过对几十种染料污染物降解的研究,证明了该原理的有效性和普适性。该研究将TiO2光催化从紫外光区拓展到了可见光区域。

  该课题组还进一步对染料污染物降解的微观过程进行了深入而系统的研究,揭示了一个与传统光催化有着本质区别的可见光光降解机理(图1)。该机理不涉及传统光催化中半导体的带-带吸收以及空穴的生成和反应,而是利用染料污染物分子吸收可见光诱发的活性自由基和分子氧的共同作用导致污染物降解。该原理不仅能用于有色染料污染物本身的可见光光催化降解,还在无色小分子污染物的氧化降解、卤代污染物的还原脱卤以及可见光光催化合成化学品等方面有着广泛的应用前景。

  相关研究成果先后在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Sci. Technol.等刊物上发表。

   

图1 染料污染物可见光光催化降解机理

   

图2 染料降解过程中自由基物种的形成