提高光催化环境污染控制过程能量效率的方法及应用基础研究
| 项目名称： | 提高光催化环境污染控制过程能量效率的方法及应用基础研究 |
| 推荐单位： | 教育部 |
| 项目简介： | 本项目属环境工程学领域。有毒有害污染物的高效处理一直是国际环境工程领域的难点，光催化被认为是控制这类污染物最具发展前景的新技术之一，但能量效率低制约了该技术的实际应用。因此，"如何提高能量效率"是亟待解决的关键科学问题。本项目在国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点和面上项目的资助下，围绕光催化反应中影响能量效率的三个关键环节：光能吸收、光生电荷分离、界面反应，并结合污染控制工艺开展了提高能量效率的研究，形成了污染控制中提高光催化效率的系统方法和应用理论，对高效光催化剂的设计、制备以及在污染控制中的应用具有重要科学价值，有助于推动光催化技术向实用化发展。主要发现点为： ①以环境污染控制为目标，提出通过设计和调控光催化材料表面形貌、尺寸及能带结构提高光吸收强度、拓展光谱吸收范围的方法，制备出纳米管阵列型TiO2、纳米带阵列型WO3和纳米片分散型Bi2WO6等具有特定纳米形貌或能带结构的光催化材料，并揭示了其在增强光能吸收中的作用机制，光转换率比相应传统材料提高0.5-3.5倍。 ②提出针对不同污染控制目标的异质结光催化材料的设计原则和制备方法，制备出p-n、n-n和Schottky型等异质结光催化材料，阐明了在异质结内建和外加电场下光生电荷分离与污染物的作用机理，有效地提高了光生电荷分离效率，对典型污染物的光催化分解速率提高43%-395%。 ③提出应用高活性晶面优势暴露光催化材料提高污染物界面反应效率的方法，发展了高活性晶面优势暴露的WO3和ZnWO4等典型光催化材料的制备方法，确定了优化条件和调控方法，阐明了光催化材料晶面与污染物作用的构效关系，对典型污染物的分解速率提高100-228%。 ④发展了光催化功能性分离膜的制备及其在水处理中的应用方法，阐明了水处理过程中光催化与膜分离间的耦合原理，验证了该方法具有同步分离和分解污染物、灭菌和减缓膜污染等多重功能；发展了光催化-等离子体耦合水处理方法，发现光催化与等离子体间存在显著的协同效应，能量效率比单一工艺提高50%以上。 本项目发表学术论文101篇(SCI收录84篇)，被他引2243次(SCI他引1611次)，获授权发明专利9项。8篇代表性论文中3篇的单篇SCI他引超过130次，平均单篇SCI他引65次。3篇论文入选国际权威检索系统ISI Web of Knowledge的Top paper，被33篇综述文章(刊载期刊包括Chem Rev、Chem Soc Rev等，其影响因子分别为35.957和20.086)引用或介绍。关于TiO2纳米管阵列光催化材料的论文被TiO2光催化技术创始人Fujishima A等多位本领域国际著名学者作为具有优异光催化性能材料的典型案例引用。基于Schottky原理研制的TiO2基光催化剂，经第三方标准化应用测试证明量子效率较德国产TiO2(Degussa P25)提高2倍以上；研制的部分光催化材料已应用于8个品种的商业化单体空气净化器和适用于中央空调系统的空气净化机，并通过中国疾病预防控制中心检测，取得卫生部卫生许可。 本项目获2010年教育部自然科学一等奖。 |
| 主要完成人： | 全燮 (1) 代表性论文1、4、6、7和8的主要完成者； (2) 对发现点1的贡献：提出了针对环境污染控制目标的光催化材料表面形貌设计和控制方法，制备出纳米管阵列型TiO2、纳米带阵列型WO3等材料，并验证其在污染控制中具有高的光催化活性； (3) 对发现点2的贡献：提出了针对不同污染控制目标的异质结类型的设计原则和制备方法； (4) 对发现点3的贡献；提出了高活性晶面优势暴露的电化学控制方法，并验证这类材料在污染控制中具有增强的光催化活性； (5) 对发现点4的贡献：发现光催化-膜分离具有对污染物分离、分解和减缓膜污染的多重功能，并参与光催化与等离子体技术耦合反应机理的研究。该项目研究的工作量占本人工作量的70%。 朱永法 (1) 代表性论文2、3和5的主要完成者； (2) 对发现点1的贡献：提出了适用于宽光谱范围的新型光催化材料的研究思路，制备出纳米片和纳米棒Bi2WO6、Bi2MoO6等新型纳米可见光催化材料，发现Bi复合盐可拓展光谱的吸收范围，在可见光范围具有良好的光催化效果； (3) 对发现点2的贡献：发现外加电场可提高光致电荷分离，从而提高光催化降解污染物的能力。该项目研究的工作量占本人工作量的60%。 李新勇 (1) 代表性论文6的完成者之一； (2) 对发现点2的贡献: 提出了异质结光催化材料的制备方法，参与制备出p-n和 n-n异质结，并验证其在污染控制中具有高的光催化活性。该项目研究的工作量占本人工作量的50%。 姚文清 (1) 代表性论文2的完成者之一； (2) 对发现点1的贡献: 提出了Bi2WO6等新型纳米可见光催化材料的制备方法，验证了Bi复合盐在可见光光谱范围内可光催化分解污染物，并揭示了Bi2WO6对污染物的光催化分解机理。该项目研究的工作量占本人工作量的50%。 于洪涛 (1) 代表性论文4的完成者之一； (2) 对发现点2的贡献: 参与异质结材料的设计和制备， 提出了CNTs/TiO2的制备方法，揭示了该材料对电荷的分离特征，并验证其在污染控制中具有增强的光催化活性。该项目研究的工作量占本人工作量的50%。 |
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