高效光催化材料的研制及其產品應用

王育華

伴隨著現代工業的高速發展，人類生活環境和健康飽受各種污染侵蝕。例如，我們的住房和室內裝修材料仍然存在許多難以消除的污染問題。進入21世紀后，在全世界環保技術和產品相對滯后的背景下，環境污染控制和治理成了人類社會面臨的亟待解決的重大問題之一。

在眾多環境污染治理技術中，以半導體氧化物為催化劑的多相光催化反應，因具有室溫條件反應、深度礦化凈化、可直接利用太陽光作為光源來活化催化劑并驅動氧化還原反應等獨特性能，成為了一種理想的環境污染治理技術。

過去幾十年，光催化劑被廣泛應用于多個領域，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復合，光催化反應的效率仍然較低。為提高光催化的活性，我們實驗室在以下三個方面進行了深入研究：

一、通過摻雜、缺陷設計和全光譜催化劑開發增強光吸收

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復合材料有更強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】；通過簡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的帶隙并擴展了價帶寬度，極大的增強了可見光吸收和光催化效率【2】；研制的P_2.5/（NH₄）_xWO_{3復合光催化材料吸收范圍在200～2500nm，實現了全光譜吸收，有效利用了太陽能【3】。}

二、通過形成異質結、貴金屬沉積和與碳材料復合來提高載流子分離

通過一步熱水法制備了CaSn（OH）₆-SnO₂復合光催化材料，由于CaSn（OH）₆-SnO₂異質結可促進載流子分離，因此復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有效促進了光生電子空穴的分離，得到的樣品在可見光下有較強的亞甲基藍降解能力【5】；通過簡單的化學沉淀法在DMF溶液中得到了Ag₃PO₄/RGJOs復合光催化材料，RGOs的引入提高了Ag₃PO₄的穩定性，并且有效提高了載流子分離能力【6】。

三、通過形貌控制和晶面設計提高載流子轉移

通過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Ag₃PO₄形貌有較強的光催化活性；通過水熱法制備了（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移【7】。

利用以上方法制備的光催化材料，都是具有環境凈化與自潔功能的新型材料，能夠在太陽光的作用下產生強烈的氧化還原能力，可催化光解附著于其表面的各種有機物及部分無機物，特別適用于除去空氣及水中的污染物質及微生物，并能使各種光催化制品表面產生殺菌、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合，可有效解決日趨嚴重的環境問題。

基于以上工作基礎、日益嚴重的環境污染問題，以及具有光催化作用的建筑材料的良好市場前景，我們實驗室與上海榮富新型材料有限公司開展了產學研合作，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，前者通過充分研磨，制得了磷酸銀/二氧化鈦復合光催化材料，與單一磷酸銀和二氧化鈦相比，光降解能力更強，40分鐘可以徹底降解亞甲基藍污染物，且制備時間短、制備過程簡單易行、成本低廉、節能環保、靈活方便；后者相比未摻雜石墨烯，硼的摻入使石墨烯導電性能和表面負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，我們研制了一種新型、簡單的室內可見光照射下具有高效光催化活性的玻璃，其在室內照明光源照射下能夠發揮凈化空氣、降解有機污染物的作用，同時又不顯著影響玻璃的透光性，且制備方法操作簡單，對設備要求較低，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復合光催化材料涂覆的鋁板，其在室內可見光照射下能夠有效降解污染物，起到室內空氣凈化作用，且所涉及的噴涂涂覆法便于操作，不需要復雜昂貴的設備，不需后續高溫退火過程，從而不會導致鋁板受熱變形。

上述產品均已申請中國發明專利，并獲得授權，有望在建筑材料行業廣泛應用，減少日益嚴峻的環境污染問題，創造良好的社會和經濟效益。

參考文獻

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