无金属光催化剂让饮用水净化告别“二次污染”│Cell Press对话科学家

我们日常生活中的饮用水是由原水去除污染物后净化得来的。如今，新兴的光催化消毒技术已经逐渐取代了使用紫外线、氯化物或臭氧消毒的传统水净化技术，但基于金属的光催化消毒剂却很容易产生二次污染或重金属离子残留。

最近，扬州大学、悉尼科技大学和中国科学院过程工程研究所的科学家联合研究出一种使用石墨相氮化碳纳米片材料作为无金属光催化剂，可用于饮用水可见光杀菌净化的技术。实验研究结果证明，该光催化剂可在30分钟内净化富含细菌病原体的水，杀死其中超过99.9999％的细菌（例如大肠杆菌），达到中国对清洁饮用水的要求，而且杀菌净化过程绿色环保。该研究成果于2019年2月7日在线发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上。

Cell Press微信公众号就该研究取得的进展、下一阶段研究方向等话题专访了论文主要作者王丹研究员。

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该研究团队通过独特的催化设计，使用边缘氧官能化的超薄二维石墨相氮化碳纳米片，吸收可见光并产生活性氧，生成过氧化氢，氧化并破坏细菌细胞壁从而有效地杀死细菌。

中国科学院过程工程研究所研究员、该论文通讯作者王丹教授说：“目前广泛研究的碳基催化剂，例如碳纳米管和氧化石墨烯等，产生的活性氧消除细菌的效率还有待提高。与使用紫外线、氯化或臭氧消毒的传统水净化工艺不同，使用边缘功能化石墨相氮化碳纳米片作为光催化剂，水的杀菌净化方法更加环保。”

该论文通讯作者扬州大学王赪胤教授认为，边缘功能化石墨相氮化碳纳米片作为催化材料的使用设计简单、原料廉价，意味着该技术可容易进行规模化的应用与推广。

悉尼科技大学的汪国秀教授补充说，“目前，我们提出的这项消毒技术需要与其它设备联用来去除重金属离子和其他有害物质，以满足完全系统水净化的要求。不过，对二维氮化碳材料表面选择性修饰技术，有望在催化、电子、靶向治疗等诸多领域带来更加广阔的应用。”

该研究团队希望通过进一步提高材料吸收光子的能力、改进纳米片制备工艺和研究合适的催化剂负载基质来提高水净化消毒的效率。

作者专访

关于王丹研究员

王丹，研究员，博士生导师。英国皇家化学会会士，科技部“中青年科技创新领军人才”，国家“万人计划”领军人才，享受国务院特殊津贴专家。1994年获吉林大学学士学位，1997年获吉林大学硕士学位，1997年10月获日本文部省奖学金资助赴日本留学，于2001年获日本国立山梨大学博士学位。曾任日本高知大学理学部非常勤讲师、日本地球环境产业技术研究机构催化剂研究室研究员及日本京都大学化学研究所日本学术振兴会外国人特别研究员。2004年2月加入中国科学院过程工程研究所任研究员。主要从事特殊纳米结构功能颗粒的合成、组装与精确调控，多级次介尺度结构的构建，以及材料结构与性能的构效关系研究，特别在中空多壳层结构（HoMS）的可控合成及其在能源、催化等领域的应用方面处于国际领先地位。

Cell Press：最初您的团队是如何想到采用“边缘功能化石墨相氮化碳纳米片”作为催化剂来进行水净化的？

王丹研究员: 我们认为光催化消毒是一种高效和节能的水消毒技术，未来该技术的有望显著缓解清洁水资源和全球能源短缺的问题。迄今为止，最有效的光催化消毒催化剂是金属基纳米材料，然而我们难以忽视这些催化剂的二次污染。理想的水消毒光催化剂应该是高效无金属的催化剂。目前为止报道的无金属光催化剂的效率远低于金属基光催化剂的效率。我们的团队在碳材料的定点修饰方面进行了多年的研究，有一定的工作基础。综合了可见光吸收波段和载流子分离效率两方面的因素，此次我们使用了边缘功能化石墨相氮化碳纳米片作为催化剂来进行水净化。

Cell Press：整个的研究过程是否顺利？有哪些重要发现是您想与我们分享的？

王丹研究员：这一研究从启动到论文发表，经历了两年半的时间。制备边缘功能化石墨相氮化碳纳米片是研究中的主要挑战之一。严格控制氧化时间以及温度，是制备理想的边缘功能化石墨相氮化碳纳米片材料的关键。我们认为在这份工作中，最重要的发现是g-C₃N₄纳米片边缘的-COOH和C=O基团的选择性官能化不仅显著促进了电荷分离，而且还诱导了超薄2D材料表面带的向上弯曲。 我认为这种选择性功能化策略可以应用于其他2D材料，使其在催化、电子和靶向治疗等其他领域得到更广泛的应用。

Cell Press：请您谈一下对目前各类水净化技术的看法？与其他水净化技术对比，您觉得边缘功能化石墨相氮化碳纳米片的优势在哪里？

王丹研究员：我们认为光催化方法是最有前途的生态友好型水净化方法之一。与紫外线消毒，氯化消毒和臭氧消毒等传统技术相比，光催化消毒仅利用太阳光代替腐蚀性化学品，该技术相对而言更加环保。边缘功能化石墨相氮化碳纳米片完全不含金属，彻底避免了重金属和腐蚀性化学试剂二次污染的问题。此外，该催化剂易于在有机和无机表面上固定，这意味着可以涂覆在几乎所有材料的表面上。我们设计制备了太阳能水消毒设备，如塑料薄膜袋和固定床反应器，可以作为便携式（on-site）净水设备提供非常广阔的应用前景。

Cell Press：您的团队正在为该技术的大规模商业化应用做优化改进。能否介绍一下具体从哪些方面进行优化？

王丹研究员：我们的材料与传统的氯化消毒相比，成本是否更低，这个目前来说还不能确定。从原料上和光催化剂本身特性的角度来看，石墨相氮化碳在成本方面具备非常大的优势，但是涉及到制备纳米片的过程，文中提出纳米片的选择性官能化的剥离方法目前来说还不是很成熟，且耗时、成本也较高。寻找降低制备纳米片成本的方法，对今后的推广至关重要。另一方面，由于我们的催化剂仅仅进行了60小时的实验，长期稳定性仍有待考证，提高材料的稳定性也是今后工作的重点之一。

Cell Press：除了水净化技术，您的团队还在进行哪些研究项目？能否介绍一下相关进展。

王丹研究员：我们现在正在进行可以光催化自消毒的纤维和织物的设计和制备。目前的结果表明，该纤维已经展现出不错的消毒性能。如何在保持材料光催化效率的同时，维持材料力学强度及降低光腐蚀性能，是其今后能否实现真正应用化研究的关键。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下化学旗舰期刊Chem上，点击”阅读原文“或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Edge-Functionalized g-C3N4 Nanosheets as a Highly Efficient Metal-free Photocatalyst for Safe Drinking Water

论文网址：

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30572-2

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.12.009

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