中科院理化所张铁锐研究员课题组《Mater. Today Energy》: 基于气液固三相界面的三相光催化双酚A高效降解

点击蓝字关注我们

双酚A（BPA）被广泛应用在聚碳酸酯、环氧树脂等产品的生产过程中，然而它却是一种典型的内分泌干扰物质（EDC），可能会对人的身体健康带来巨大威胁，尤其是其生物降解性和自降解性差而已经在水体和土壤中被检测到，因而越来越受到相关领域研究人员的重视。光催化虽然一直被认为是一种清洁的环境治理技术，而在传统的液-固相光催化污染物降解反应过程中，反应物主要依赖于溶解气体分子的缓慢扩散，成为光催化反应的速率控制步骤，而近些年开发的气-液-固三相光催化体系实现了气相(氧气)、液相(污染物)和固相(催化剂)的直接接触，气体反应物也主要来自气相，进而使光催化反应速率基本突破了扩散的限制。

中科院理化所张铁锐研究员课题组最近在《Materials Today Energy》上发表了题为“Efficient photocatalytic aerobic oxidation of bisphenol A via gas-liquid-solid triphase interfaces”的文章。中科院理化所硕士研究生王谱为论文第一作者，此研究得到国家自然科学基金等资助支持。为提升双酚A的光催化降解性能，该课题组设计了气-液-固三相界面，并利用光电化学测试手段和有限元模拟工具分析了氧扩散过程。最后，研究人员设计了流动相光催化三相反应装置，进行了长达50小时的稳定性测试。

图1 气-液-固三相界面的构筑。三相界面示意图(a)；催化剂层和碳基气体扩散层(GDL)的断面扫描电镜图(b)和对应的元素分布图(c)；未固定光催化剂的GDL表面的扫描电镜图(d)和接触角(插图)；固定光催化剂Au/TiO₂的GDL表面的扫描电镜图(d)和接触角(插图)；光催化剂Au/TiO₂的高分辨透射电镜暗场图(f)和对应的元素分布图(g)。

研究人员通过在疏水碳基气体扩散层材料上固定亲水的Au/TiO₂光催化剂，构筑了一面亲水一面疏水的气-液-固三相界面结构，通过扫描电镜的断面和平面表征以及接触角测试也都表明成功构筑了该结构，对光催化剂Au/TiO₂的高分辨透射电镜表征也发现Au以粒径5~10 nm的颗粒形式存在。

图2 三相和两相体系的光催化BPA需氧降解性能对比和分析。三相和两相体系的性能对比(a)；三相和两相体系的光电流密度对比(b)；不同氧气浓度下BPA的光催化降解性能(c)；两相体系的示意图(d)；通过COMSOL有限元模拟得到的两相体系氧浓度空间分布图(e)；两相体系在不同氧消耗速率下的氧浓度分布(f)；(g)(h)(i)为与(d)(e)(f)对应的三相体系示意图。

在对BPA的光催化降解性能测试中，三相体系表现出明显优于两相体系的光催化性能。光电流测试也发现两相体系具有较小的光电流密度和光照期间的快速衰减，分别对应着较低的氧浓度和缓慢的氧扩散，相反地，三相体系具有更高且稳定的光电流密度，说明三相体系中具有更高的氧浓度和快速的氧扩散。不同浓度下的三相光催化BPA降解性能也说明在一定范围内，氧气浓度越高，降解效率越高。为进一步阐明体系中的氧浓度变化规律，研究人员进行了有限元模拟，结果也表明在两相体系中，光催化剂附近的氧很快被消耗殆尽，而三相体系的光催化剂附近能一直保持较高的氧浓度，几乎没有明显的下降。

图3 不同初始BPA浓度下的三相光催化降解性能(a)和动力学拟合曲线(b)；不同光强下的三相光催化降解性能(c)和动力学拟合曲线(d)。

通过对不同初始浓度的BPA和不同光强下的三相光催化降解性能测试，结果也表明初始浓度越低，光强越强，降解效率越高，速率常数越大。

图4 流动相三相光催化反应装置的实物图(a)和模型图(b)；流动相三相光催化体系中的稳定性测试(c).

流动相反应由于其具有连续操作性以及催化剂的易回收等特点而受到研究人员的重视。为更加贴近未来可能实现大规模应用的光催化有机污染物降解，研究人员设计了流动相三相光催化反应装置，并在装置中进行了50小时的稳定性测试，且在过程中能够通过调节光强以控制出口的单程降解效率。

原文链接

P. Wang, J. Zhao, R. Shi, X. Zhang, X. Guo, Q. Dai, T. Zhang, Efficient photocatalytic aerobic oxidation of bisphenol A via gas-liquid-solid triphase interfaces, Materials Today Energy

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606921002732
https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100908

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。