光催化水净化过程中固体杂质的影响机制

光催化剂在光催化水净化过程中的活性稳定性是一个重要的应用基础科学问题。申请者基于MnO2影响光催化方面的前期研究，提出共存固体杂质（颗粒物）是影响光催化的重要反应变量及颗粒间的弱相互作用是导致光催化剂失活的重要途径。本项目拟研究铁、锰、硅、铝氧化物和腐殖酸、粘土矿物等模拟颗粒物对TiO2和ZnO光催化降解五氯酚与萘酚蓝黑的动力学的影响及机理，研究颗粒物对典型光催化剂表面组成和晶相结构、吸附性质、能级结构、光响应性能的影响，以搞清颗粒物影响光催化降解有机污染物活性的规律，并明确有重要影响的颗粒物成分及产生影响的关键因素；表征和描述在表面形成的颗粒物/光催化剂异质结及其对光生电子-空穴的产生、分离与复合的影响，以阐明部分颗粒物导致光催化剂失活的微观机制；研究消除颗粒物副作用的原理和方法。本研究将增进对光催化剂失活现象和本质的认识，对推动光催化水处理技术的应用具有重要的理论和实际意义。

光催化剂在光催化水净化过程中的活性稳定性是一个重要的应用基础科学问题。本项目立项时人们很少关注水中固体杂质对光催化反应的影响，本课题的目标就是填补该项研究空白。以萘酚蓝黑和五氯酚作为主要模型污染物，利用动力学活性评价实验及DRS、PL、SPS、XPS及DPD光度法，系统研究了19种模拟颗粒物对多种TiO2和ZnO催化剂光催化活性的影响规律及机理。研究结果表明：(1) 4种微量氧化锰颗粒物（γ-MnOOH及α，β，δ-MnO2）的存在均能使TiO2（包括微米级锐钛矿型TiO2、纳米级混晶TiO2和P-25 TiO2）的光催化活性受到明显的抑制, 甚至彻底失活。在相同浓度和pH下, 4种不同结构氧化锰的致毒效应大小及顺序依光催化体系的变化而不同。（2）7种金属掺杂改性的TiO2（Cr3+、Cd2+、Bi3+、Ni2+、Co2+、Ce3+和Fe3+ ）和3种非金属掺杂改性的TiO2（氮、氟和碳）均存在氧化锰致毒效应，而掺Bi-TiO2和掺Sn-TiO2是抗氧化锰中毒的。（3）11种非锰颗粒物（铁和铝的氧化物、粘土矿物及腐殖酸）对TiO2的光催化活性只有微弱的抑制作用。（4）受试固体杂质对ZnO的光催化活性影响很小。（5）揭示了MnO2使TiO2中毒的主要机理是在接触界面上形成“异质结”, MnO2作为深能级杂质，促进了光生电子-空穴对的复合。该结果为抑制和解决光催化剂的失活问题提供了重要的依据。. 项目取得的主要成果有：在国内外期刊上共发表论文19篇，其中被SCI收录15篇，被ISTP收录1篇，被EI收录3篇；共发表学术会议论文10篇，其中国际会议论文3篇；取得授权发明专利2项；培养毕业硕士研究生6名。