有毒难降解有机污染物光催化降解机理的研究取得重要进展

日期 2006-02-23　来源：情况交流　作者：化学科学部王春霞　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　在国家自然科学基金连续资助下，中国科学院化学研究所赵进才研究员及其合作者系统深入地研究了有毒难降解有机污染物光催化降解机理。通过十多年的积累，在染料污染物的可见光光催化降解，复合半导体及过渡金属离子配合物新型可见光光催化剂及其光催化反应机理等方面的研究取得了一系列重要成果，荣获2005年度国家自然科学奖二等奖。　　有毒难降解有机污染物(如卤代物、二恶英、农药、染料等)引起的环境问题已成为21世纪影响人类生存与健康的重大问题。用现有环境技术很难处理这些污染物，因此研究新的有效控制有毒难降解有机污染物的方法已成为国际上十分关注的重大课题。利用光催化方法降解这些有机污染物已成为国际上最有应用潜力、研究最活跃的领域之一。赵进才研究员及其合作者紧紧围绕以往光催化技术中只能利用紫外光且反应效率低这一关键科学难题，瞄准最大限度利用太阳能中50%以上的可见光，在充分认识有机污染物和光催化剂的物化特性以及它们与可见光相互作用机制的基础上，系统深入地研究了一系列可见光光催化体系及其降解有毒有机污染物的反应机理，在以下3个方面取得了一系列重要进展。　　1）有机染料污染物的可见光光催化降解及其机理。有机染料污染物是一大类非常难处理的有机污染物。基于染料污染物分子都可以吸收可见光形成高反应活性的激发态，并能与TiO2光催化剂发生电荷转移的思路，他们开展了利用可见光光催化降解染料的研究。发现几乎全部染料都可在可见光或太阳光照射下，成功地在TiO2存在下进行降解和矿化，不仅是发色团或共轭结构的简单断键，而是高度矿化为CO2、H2O和无机离子的不可逆分解，这种不可逆的分解矿化具有普适性。经过一系列细致的实验，对反应过程中涉及的各种瞬态物种进行原位跟踪检测，证明了染料污染物的可见光光催化降解是由染料激发态的电子注入和空气中氧气的还原，以及由此引发的一系列自由基反应，最终导致了污染物的降解和矿化，提出了与国际上报道的紫外光光催化反应完全不同的可见光光催化反应机理。另外还证明了染料可见光光催化是一个典型的界面反应，并且染料的吸附模型和分子反应机理是紧密相关的。该研究将TiO2光催化降解有机污染物的反应从紫外光区扩展到可见光区，并为利用太阳光去除难降解的染料污染物提供了一种新的途径。　　2）铁离子及其含氮配合物可见光光催化降解有毒有机污染物。该研究进一步将可见光反应拓展到铁离子及其含氮配合物光催化降解有毒有机污染物体系。在系统研究金属配合物可见光吸收性能、激发态寿命、氧化还原电位匹配、载体效应及稳定性等的基础上，成功地设计合成了一系列高活性和高稳定性的铁氮配合物及其负载型可见光光催化剂。发现在可见光激发下，在中性以及非常宽的pH范围内，这些光催化剂能快速有效活化过氧化氢（H2O2），氧化降解各种有机污染物（如染料、多氯代酚等）。深入研究了金属配合物可见光光催化活化H2O2及有毒有机污染物降解的反应机制，提出了相应的光催化反应机理。进一步研究了新型的铁含氮配合物负载型光催化剂，通过可见光诱导和载体协同效应直接活化O2，实现了在中性pH温和条件下负载型过渡金属配合物可见光光催化直接活化分子氧高效降解有机污染物。　　3）新型高效可见光光催化剂的合成及改性新方法。成功地研制出二元协同改性的新型可见光光催化剂Ni2O3/TiO2-xBx。用非金属元素B对TiO2掺杂改性，有效地将TiO2的吸收光谱扩展到可见光区域，同时用过渡金属氧化物对其表面改性，极大地提高了可见光光催化活性，同时实现了扩展光催化剂吸收波长到可见光区域和抑制光激发生成的空穴/电子对复合的双重目的。用该光催化剂在可见光（波长大于420nm）照射下，以空气中氧气为氧化剂，可将有毒有机污染物2,4,6-三氯苯酚，2,4-二氯苯酚等有效地降解为二氧化碳、水和氯离子。在TiO2的表面和体相改性及光催化剂构效关系的研究方面取得重要进展，为充分利用可见光去除有毒有机污染物和制备新型可见光光催化剂提供了新思路。　　十多年来，在环境领域国际上最有影响的刊物Environ. Sci. Technol.以及化学领域的J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等SCI收录的国际核心刊物上发表论文106篇，其中SCI影响因子3.0以上国际重要刊物论文48篇；应邀在Topics in Catalysis上撰写综述论文1篇；被Science、 Environ. Sci. Technol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等SCI刊物他引1087次；获国家发明专利授权7项；赵进才研究员被聘为Environ. Sci. Technol.及国际专业刊物J. Adv. Oxid. Technol.的编委；连续5届被邀请作为国际光催化会议组委会委员；获得中国科学院-拜尔(德国)青年科学家奖；2次获得中国科学院优秀研究生导师奖；培养博士后、博士生、硕士生30多人，其中2人获中国科学院院长特别奖。