淺析木質(zhì)材料在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用

段濤　葛慧琳　李明馨　夏潔　何秉航　丁小波

摘 要：木質(zhì)材料的應(yīng)用范圍隨著納米技術(shù)發(fā)展不再僅僅局限于傳統(tǒng)建材家具行業(yè)，其在能源儲存、海水淡化和廢水處理等新興領(lǐng)域也逐漸嶄露頭角。木質(zhì)材料的獨特結(jié)構(gòu)與成分組成，如強柔韌性、高孔隙率、高比表面積及易于調(diào)控的表面化學(xué)特性使其在光催化降解廢水方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，為我國有機廢水降解處理提供了新興的研究方向與材料備選。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)材料 光催化 廢水處理

中圖分類號：TB33 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0086-02

光催化作為材料科學(xué)、光電化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域。隨著光催化劑的發(fā)展與突破，如可見光誘導(dǎo)的光催化劑研究的突破，光催化材料超親水性的發(fā)現(xiàn)，超分散及可見光活性的突破，使得光催化在多個領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，如有機物的降解、水和空氣的凈化、生態(tài)建筑材料等。但其仍存在許多亟待解決的問題，如光電子傳輸效率低，濃度高的廢水和廢氣降解效果不佳；多相光催化反應(yīng)機理難以得到有效清楚的解釋，制約著改進新型高效催化劑的研究推進。但光催化技術(shù)以其高效安全環(huán)境友好的特性將取代傳統(tǒng)的技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展空間。木質(zhì)材料在過去幾年的研究中，在抗沖擊能力、導(dǎo)電方面等都取得了迅猛的發(fā)展，現(xiàn)已有文獻報道做出透明木材復(fù)合材料，其光學(xué)性質(zhì)（包括霧度，正向透射率）水平可高達90%以上[1]，同時木材復(fù)雜的多孔管道結(jié)構(gòu)提供最佳的垂直污水通過的渠道，能夠吸收大量的有機化合物，其優(yōu)異的導(dǎo)光特性、復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)和快速運輸物質(zhì)的能力具備廣闊的應(yīng)用前景。

1 木質(zhì)材料的處理與催化應(yīng)用

1.1 透明木質(zhì)材料制備方法

木材的主要成分有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，不同的木材因結(jié)構(gòu)層次的變化，表現(xiàn)出不同孔隙率、導(dǎo)熱率和機械性能。制備透明木材的方法都大同小異，首先是選擇強堿和具有漂白性質(zhì)的混合溶液進行加熱漂洗，以掏空木材中木質(zhì)素。不同木材均具有相似的垂直排列通道，在聚合物滲透進相互連接孔隙的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之后，木材中含有的纖維素和聚合物之間折射率不匹配，使光可以沿著纖維素和聚合物傳導(dǎo)，最終透明木質(zhì)材料顯示出高透射率，且保持了良好微觀結(jié)構(gòu)。研究表明[2]對于聚合物的選擇，需滿足的要求是折射率接近1.5且具有低粘度。

1.2 其他木質(zhì)材料制備方法

通過在惰性氣氛中高溫碳化木材，以制造低密度的生物多孔碳材料，可通過原位沉積光催化物質(zhì)涂層，同時保持連續(xù)有序的通道結(jié)構(gòu)；也可用化學(xué)沉積法進行物質(zhì)附著處理，但若相應(yīng)官能團嫁接，材料呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 木質(zhì)材料的光催化應(yīng)用

木質(zhì)材料經(jīng)過改性處理之后，當(dāng)光通過光催化材料時，導(dǎo)帶中的電子吸收光子然后轉(zhuǎn)移到價帶，電子和空穴仍然連接在一起。在擴散作用下，光生電子和空穴被分離，所得到的具有強氧化性的空穴與染料接觸，進行氧化還原反應(yīng)，從而使染料分解。光催化物質(zhì)與木質(zhì)的復(fù)合材料提供了更大的比表面積，有效地提高了光利用效率。

二氧化鈦作為常見的光催化劑，其光催化活性取決于二氧化鈦自身的相結(jié)構(gòu)和組成、顆粒尺寸、比表面積等。然而由于二氧化鈦的半導(dǎo)體能帶較寬，本身并不能滿足各種類型反應(yīng)的要求，經(jīng)紫外線的激發(fā)后光生電子與空穴對復(fù)合幾率高，光催化活性大幅下降，并且可見光的利用率低，阻礙了其實際應(yīng)用。可采取貴金屬修飾、制造多組分異質(zhì)結(jié)、增加表面積、調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)等各種途徑來克服這些缺陷，以促進光吸收及增強光載流子傳遞速率，影響活性自由基的產(chǎn)生。對于如二氧化鈦一類具有相同性質(zhì)的光催化劑，選擇與木質(zhì)材料復(fù)合以增加載流子傳輸速率和比表面積達到提高光催化降解染料的效果，將會是木質(zhì)復(fù)合材料運用的熱點方向。

在HuiMei與其同事的研究[3]木質(zhì)復(fù)合材料的可見光催化降解羅丹明B，在黑暗環(huán)境中建立吸附解吸平衡期間，木質(zhì)復(fù)合材料展現(xiàn)了非常好的染料分子吸附效果，高吸附效率有利于光照下的催化降解，且復(fù)合材料比未符合材料相比，有效提升了2.2倍左右的的降解效率，體現(xiàn)了復(fù)合木質(zhì)材料的高光利用效率與強光催化活性。

2 展望

就當(dāng)前發(fā)展形勢而言，多功能木質(zhì)材料在理論與實踐方面都實現(xiàn)了重大突破并展現(xiàn)了應(yīng)用價值。其已經(jīng)在太陽能蒸汽發(fā)電[4]可生物降解等方面相較于傳統(tǒng)材料具有其巨大的優(yōu)勢，并且在不斷深入研究木質(zhì)材料之后，其獨特性能優(yōu)勢如導(dǎo)光能力強也逐漸被發(fā)現(xiàn)。除此之外，相信木質(zhì)材料還具有其他一些隱藏的尚未發(fā)現(xiàn)的優(yōu)秀特性有待進一步研究。透明木材參雜或者復(fù)合其他具有光催化性質(zhì)的金屬氧化物會是今后木質(zhì)材料光催化的研究方向之一，我們期待木質(zhì)復(fù)合材料在光催化處理有機廢水行業(yè)取得更輝煌的成績并引領(lǐng)我們?nèi)ネ诰蚋嗟奈粗I(lǐng)域。

參考文獻

[1] Li T ， Zhu M ， Yang Z ， et al. Wood Composite as an Energy Efficient Building Material： Guided Sunlight Transmittance and Effective Thermal Insulation[J]. Advanced Energy Materials， 2016：1601122.

[2] Jiang F ， Li T ， Li Y ， et al. Wood-Based Nanotechnologies toward Sustainability[J]. Advanced Materials， 2017：1703453.

[3] Hui M ， Weizhao H ， Chengxu H ， et al. A novel approach to strengthen naturally pored wood for highly efficient photodegradation[J]. Carbon， 2018：S0008622318306390-.

[4] Jia C ， Li Y ， Yang Z ， et al. Rich Mesostructures Derived from Natural Woods for Solar Steam Generation[J]. Joule， 2017， 1（3）：588-599.