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——记2017年上海市自然科学一等奖项目“高效光催化材料的制备及其机理”

  稿件来源: 党委宣传部  |   作者:李强  |  摄影:受访者提供  |  编辑:宇澄  |  访问量:5570

    新房装修后,“晾房排毒”成了必经程序。简单的通风、放置绿植、购置空气净化器、用活性炭等吸附除甲醛……可谓是能想到的、能做到的方法基本全都用上。但甲醛的挥发是一个持续的过程,活性炭吸附等传统处理甲醛的方法很难从根本上解决问题。

    民众关心的问题自然也成为科学家们致力于解决的问题?!安僮骷虻?、能耗低、无二次污染、效率高,这些光催化技术的特性,使得该技术被认为是解决这一问题的最佳手段之一?!闭沤鹆淌谕哦游谱殴獯呋芯恐腥绾瓮卣构獯呋牧系目杉饫眯屎吞岣吖獯呋孔硬收饬礁鲎罟丶目蒲侍?,开展了十余年系统深入的研究。张金龙教授领衔的高效光催化材料的制备及其机理研究项目,日前获得2017年上海市自然科学一等奖。

    “新房装修时,在墙面粉刷完工后,再涂抹光催化功能材料,只需光照,室内的有机污染物就能被吸附,并被分解为无害物质。且该材料因不参与反应而不被消耗,可长期持续产生净化效果?!闭沤鹆淌诮樯?,“光催化技术的空气净化器,之所以能达到净化效果,关键也在于过滤层上的光催化功能材料?!?

    所谓光催化,说的简单一点就好像植物的光合作用。光催化材料通过吸收太阳光,引发一系列的氧化与还原反应,从而将太阳能转化为化学能。一方面,光催化可以氧化有毒有害物质,最终将它们分解为无毒、无味的二氧化碳和水,达到彻底清除污染的目的。另一方面,光催化技术还可以将二氧化碳分子还原成有机小分子等化工原料,或是将水分子还原成氢气等洁净能源。该技术在生产、生活中的应用,看似高精尖的科研,其实和我们的生活息息相关。大到大气污染治理、废水处理及绿色能源开发等环境与能源问题,小到衣服鞋袜、冰箱异味或者外墙清洁,光催化技术都大有用武之地。

    二氧化钛作为一种典型半导体光催化材料在降解有机污染物、空气净化、除臭、杀菌、防雾等领域得到了广泛的研究和应用。但由于二氧化钛等传统半导体光催化剂的禁带较宽(锐钛矿为3.2eV,金红石为3.0eV),仅能吸收太阳光中波长小于387nm的紫外光。然而太阳光中紫外光的能量仅占3%-5%;而且光生电子和空穴易于复合,光量子效率低,对太阳光中的可见光响应程度远远达不到工业催化的要求,阻碍了二氧化钛光催化材料的实际应用。如何重新设计半导体光催化剂的能带结构,开发具有高可见光响应范围与响应程度的光催化材料一直是光催化领域的热点。

    各国都在努力早日将光催化技术应用到环境污染治理和新能源开发中去。要实现这个目标,还需要解决以下2个关键科学问题:太阳能利用率低,由于纳米二氧化钛等半导体的能带结构决定了其只能吸收利用太阳光中的紫外光;量子效率低,由于光生电子复合率高,使其量子效率低,难以处理量大且浓度高的工业废气和废水。这些关键科学问题的解决有赖于深入的基础研究。张金龙教授团队通过对二氧化钛等传统半导体进行一系列改性,包括杂质元素掺杂改性、多相半导体复合改性、孔道结构功能化改性等,重新设计了半导体的能带结构,实现了光催化材料对可见光吸收强度的调控,促进了光催化量子产率的提高。

图片说明:制备新型二氧化钛光催化材料

    针对“能带不匹配、光能利用率低”的科学问题,张金龙教授团队设计并制备了一系列金属、非金属掺杂二氧化钛光催化材料,通过不同元素之间的协同作用成功实现了对二氧化钛能带结构的调控,拓展了二氧化钛对太阳光谱的响应范围。同时,团队通过构造有序的“反蛋白石”三维孔道结构产生了“慢光效应”,增强了催化剂对光的利用率,并成功利用“慢光效应”与“光催化”的协同作用实现了对痕量有机污染物的在线降解与循环检测,为光催化机理的研究提供了测试平台。针对“光量子产率低”的科学问题,团队通过对二氧化钛进行晶相调控产生的多相协同效应,抑制了电子空穴的复合,延长了光生电荷的寿命,并通过构造三维石墨烯高分散负载二氧化钛纳米单晶结构,增强了催化剂对可见光的响应程度,提高了光生电荷的迁移效率,大大促进了电子与空穴的分离。

    目前,张金龙教授团队在光催化领域共发表SCI收录学术论文243篇,论著共被SCI他引10053次,其中8篇代表性论文SCI他引2076次(7篇入选ESI高被引论文),单篇最高SCI他引547次,20篇主要论文SCI他引3448次,1篇被“Nature Asia”作为“亮点文章”进行了重点报道,1篇论文获得Elsevier出版集团环境科学类大陆最高引用率奖,2篇论文获得Elsevier出版集团最高论文引用率奖。张金龙教授也连续4年入选Elsevier出版集团“中国高被引学者榜单——化学工程类”。

    说到自己十余年在光催化领域的研究工作,张金龙教授浅显而形象地描述为“搭建改装光催化的楼梯”,即对传统半导体光催化材料的能带结构进行梯度调控,以实现其对可见光的吸收和利用。简单而执着,张金龙教授致力于光催化领域的基础研究工作,为建设绿水青山的美丽中国贡献着智慧。

    党的十九大将污染防治攻坚战列为决胜全面建成小康社会的三大攻坚战之一。每日的空气指数不断挑战着人们的神经。据资料显示,白杨树被公认为植物界空气净化高手。2000多平方米光催化喷涂剂喷涂过的外墙,相当于70棵白杨树的净化效果。也就是说,每喷涂30平方米等同于种了一棵白杨树。展望光催化的未来,张金龙教授描绘到,经过光催化功能材料的喷涂,也许一直被称为“水泥森林”的城市建筑,真正能够成为“绿色建筑”,变成污染防治的好帮手。

发布日期:2018年03月27日08时35分
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