活性物种在液相光催化降解有机污染物过程中的作用本质研究

The systematic clarification of the photocatalytic process in different kinds of systems is significantly instructive to recognize the photocatalytic mechanism and design novel efficient visible light photocatalysts. The types of the active species generated in the photocatalytic process are complicated and their roles playing in the photocatalysis remain obscure and controversial. Aimed at these problems, the project tries to focus on the active species in the aqueous-phase photodegradation process of organic pollutants and intends to systematically explore the types, sources and roles of the active species in different degradation systems. Taking TiO2 and BiVO4 catalysts as model systems, various surface analysis techniques (NMR, ESR, XPS, etc.) and newly-established photoelectrochemical method combined with the analysis of the photocatalytic degradation are used to study the main active species playing important role in the degradation of different organic pollutants on the two typical photocatalysts under UV and visible light irradiation. The relationship among the generation of the active species, the surface state of the photocatalysts and the photocatalytic activity will be revealed. The essential role of the active species in the aqueous-phase photodegradation process of organic pollutants will be clarified. Through this study, it is expected to help solve some puzzles about the mechanism of the active species in the aqueous-phase photocatalytic process and provide certain theoretical guidance in seeking the new pathway to increase the concentration of the active species and the photocatalytic activity.

系统地阐明不同体系的光催化过程对于认识光催化机理及设计开发高效可见光催化剂都有极大的指导意义。针对光催化过程中发挥作用的活性物种种类复杂、作用规律存在疑惑等问题，本项目拟以液相光催化降解有机污染物过程中的活性物种为研究对象，系统地研究不同液相光催化体系中发挥作用的活性物种的种类、产生来源及其在光催化反应中的作用。选取TiO2和BiVO4典型光催化剂为模型体系，通过设计不同类型的材料，采用多种表面分析技术（NMR、ESR、XPS等）和新建立的光电化学方法，结合降解历程分析，研究紫外及可见光照条件下，TiO2和BiVO4典型光催化剂在降解不同有机物过程中发挥主要作用的活性物种；揭示活性物种的产生与催化剂表面态以及光催化活性之间的关系，阐明其在液相光催化降解有机物过程中的作用本质。本研究有助于解决活性物种在液相光催化过程中的几个困惑，为寻找提高活性物种浓度和光催化活性的新途径提供一定的理论指导。

液相光催化降解过程比较复杂，目前对于活性物种的产生及其作用机制存在许多争议与问题。本项目以液相光催化降解有机污染物过程中的活性物种为研究对象，系统地研究了不同液相降解体系中发挥作用的活性物种的种类、产生来源及其在光催化反应中的作用。制备了不同晶型、形貌的TiO2和BiVO4两种典型光催化剂，运用XRD、DRS、TEM、IR、PL、ESR、LC-MS、电化学等多种表征手段对光催化剂的物理特性、结构、表面态及降解性能进行了分析检测。通过研究紫外光光照下，TiO2光催化降解有机物MO过程中的活性物种的作用，结果表明：TiO2降解MO过程中的主要活性物种是O2•–、空穴和•OH，溶解氧和表面羟基对这些物种的产生起重要作用。通过深入研究TiO2表面羟基的种类、•OH的产生来源及两者对光催化降解活性的影响，将表面羟基、羟基自由基、光催化活性直接关联起来，建立总结了光催化剂的表面态性质、活性物种的检测方法。将TiO2和ZnO光催化降解MO的过程进行对照，研究了具有类似光吸收的光催化剂降解有机物过程中活性物种的作用规律，结果表明：ZnO 表面较多的羟基基团数目以及较多的溶解氧为•OH 的生成提供了来源，因而在紫外光下降解MO 时，ZnO表现出比TiO2更佳的光催化活性。通过简单的热处理制备出不同晶型的可见光催化剂BiVO4，实验发现，与单一的四方相和单斜相的BiVO4相比，混晶型的BiVO4更有利于光生电子的转移，在光催化降解MB的过程中，混晶型体系中产生的活性物种种类更多、数量更多，从而光催化活性更好。成功合成了可见光响应的树枝状BiVO4/TiO2(BT)复合催化剂并研究了其降解MB的活性，通过对其降解机理研究发现，BT复合光催化剂在可见光照下对MB的降解过程是光催化和光敏化协同作用的结果，在降解过程中产生的活性物种主要来源于 BiVO4 和 MB，其中空穴的作用比其它活性物种更重要，而TiO2只是光生电荷转移的运载体。为了深入研究不同体系中活性物种的作用，制备了其它光催化材料，如BiOClxBr1-x纳米片、Ca3Bi8O15棒、Ag3PO4、BiFeO3等，研究了不同组成的光催化剂降解有机物的反应机制。本研究有助于解决活性物种在液相光催化过程中的几个困惑，为寻找提高活性物种浓度和光催化活性的新途径提供一定的理论指导。