光催化最新科研動態導讀
1.中文標題: 多孔納米複合材料鈦酸納米管/單壁碳納米管（TNT /單壁碳納米管）的合成與表徵及其在紫外光和太陽光條件下光催化降解4-氯苯酚的活性的研究
英文題目：Synthesis and characterization of titanate nanotube/single-walledcarbon nanotube (TNT/SWCNT) porous nanocomposite and its photocatalytic activityon 4-Chlorophenol degradation under UV and solar irradiation
引自：A. Payan.et.al. Applied Surface Science S0169-4332(17)33100-8.
本研究中鈦酸納米管/單壁碳納米管（TNT /單壁碳納米管）納米複合材料是利用不同TiO2前驅體，採用兩步水熱法製備而成。利用X射線衍射（XRD）, 平衡發射（ BET）, 拉曼反射（Raman）, 場致發射掃描電子顯微分析法（FESEM）, 透射電子顯微鏡術（TEM）, 能量彌散 X 射線探測器（ EDX）, X射線能譜儀（EDS）, 電化學阻抗譜（EIS）, 紫外可見漫反射（UV-vis DRS）和近紅外（FTIR）等技術對該材料進行表徵。FESEM和TEM圖像顯示有兩種管狀類型結構的鈦酸納米管和單壁碳納米管均勻交織在一起，形成了高多孔性納米複合材料。XRD和Raman光譜分析進一步證實了該納米複合材料中單壁碳納米管和鈦酸納米管之間的相互化學作用。其次，通過太陽光和紫外光照射條件下的光催化降解氯酚實驗對所合成的複合材料的光催化性能的進行了相關研究。實驗結果表明，納米複合材料的光催化活性相比於純的鈦酸納米管或單壁碳納米管有明顯的增強。在鈦酸納米管/單壁碳納米管複合材料中，紫外光照射下單壁碳納米管10%的負載量和太陽光照射下5%負載量表現出最大的光催化性能，納米複合材料的光催化降解效率受前驅體的種類影響較小。此外，研究者對單壁碳納米管的作用和機理進行了研究，提出了單壁碳納米管降解4-氯苯酚的可能途徑。對4-氯苯酚礦化率進行了TOC分析，結果表明在紫外和太陽照射下4-氯苯酚完全礦化分別是在240和390 min後。電子捕獲實驗結果證實在4-氯苯酚降解過程中，O2 ?? and OH ?是主要的活性物質。實驗數據符合Langmuir -Hinshelwood動力學模型（紫外和太陽光條件下，R2F分別為0.9218和0.9703）。納米複合材料的穩定性研究結果表明，四次循環使用後，該材料的降解效率僅降低了8%，穩定性良好。
2.中文標題:鎳鐵煅燒形成層狀雙氫氧化物修飾還原氧化石墨烯，提高亞甲基藍光催化去除率
英文題目：Reducedgraphene oxide modified NiFe-calcinated ayered double hydroxides for enhancedphotocatalytic emoval of methylene blue
引自：Guoqing Zhao.et.al. Applied Surface Science S0169-4332(17)33140-9
煅燒層狀雙金屬氫氧化物（CLDH）是一個提高光催化劑對 有機染料光催化降解的有效方法，並被廣泛研究。 通過溫和的原位晶化技術，利用還原氧化石墨烯成功改進了煅燒層狀雙金屬氫氧化物（CLDH）。本研究者充分利用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、里葉變換紅外（FT-IR），和紫外可見漫反射光譜（DRS）等技術對形成的還原氧化石墨烯/雙金屬氫氧化物進行相應表徵。結果分析表明，氧化還原石墨烯促進雙層氫氧化物微晶體的生長和NiFe -LDH層狀晶體通過強烈的相互作用雜亂地分布於片狀氧化還原石墨烯表面。還原氧化石墨烯/雙金屬氫氧化物複合材料對亞甲基藍光催化性能主要與還原氧化石墨烯的質量分數和煅燒溫度有關。實驗結果表明：在還原氧化石墨烯負載量為1%，煅燒溫度為500℃時，該複合材料光催化降解效率在5小時內達到了93%左右。該複合材料的光催化活性增強可能是與兩個成分之間形成的協同催化效應有關。
3.中文標題: 可控調整二氧化鈦晶面缺陷，提高光催化響應和光催化性質
英文題目：Enhancing thephotoresponse and photocatalytic properties of TiO2 by controllably tuningdefects across facets
引自：Piaopiao Wan.et.al. Applied Surface Science 434 (2018) 711–716
(a) T1, (b) T2, (c) T3, (d) T4掃描電鏡圖（T1- T4分別表示51.3, 24.5, 20.8, 14.2 nm粒徑的TiO2） (e) TiO2隨氫氟酸濃度降低的形貌變化圖 (f ) 和(g) 表示T1和T4的透射電鏡圖 (h) T1, T2, T3 和T4的X射線衍射圖
在半導體材料的可控性良好的曝露面引入缺陷，為開發具有優異性能的光催化材料提供了一條有效途徑。本研究中，研究者採用一種溫和的乙二醇還原方法製備銳鈦礦型二氧化鈦，且其裸露的 和 晶面濃度不同，所以形成不同的表面缺陷。實驗結果表明， 隨著 晶面濃度升高，TiO2的光電流產生率以及在可見光照射下光催化分解水的光催化活性提高到原來的5倍，這主要歸因於材料的氧空位和可變的表面化學態的共同作用，降低了光生電子空穴對的複合率 。該項研究提供了一種簡單可行的獲得缺陷TiO2的途徑，並深入探討了在可見光照射下，材料表面缺陷和裸露的 和 晶面的不同濃度對光電流和光催化性質的協同作用，具有較強的實際意義。
4.中文標題: 銳鈦礦型TiO2表面活性對氨氣光催化氧化的影響研究
英文題目：Facet-dependent performance of anatase TiO2 for photocatalyticoxidation of gaseous ammonia
引自： Min Chen.et.al. Applied Catalysis B: Environmental. S0926-3373(17)30308-9
TiO2光催化氧化氨氣的過程
無論是室內還是室外，如室內的裝修材料，集約化的畜禽養殖，化工生產等均向大氣中排放較多的氨氣，也因此對環境造成了一定的影響， 而光催化技術提供了一種在室溫下氧化氨氣的有效途徑。在此次研究中，研究者主要通過水熱法製備了具有清潔特性的, 和 晶面的銳鈦礦型二氧化鈦，並對該材料對氨氣的光催化氧化活性進行驗證，實驗結果表明，三個晶面對氨氣的光催化氧化活性順序是 > > 。利用XRD、SEM、XPS、紫外-可見光，原位DRIFTS和TPD等方法對材料進行表徵，結果表明， 以不同晶面為主的三種催化劑中，{ 001 }晶面由於其表面能夠捕獲更多的光生空穴，因此 TiO2的光生電荷的分離效率最高。在光催化氧化氨氣過程中，第一步首先是光生空穴促使氨氣氧化，然後{ 001 }晶面為主的TiO2催化劑進一步增強該反應，此外，光催化氧化氨氣過程遵循photo-ISCR機制。光生電子激發氧氣，並參與中間體NOx生成的反應過程，形成最終產物，此過程遵循photo-NH3-iSCR機制。本研究能夠加深銳鈦礦型二氧化鈦氨氣的光催化氧化性能的認識，為以後進一步提升TiO2光催化性能，應用於環境的各個方面提供了一個比較有參考價值的研究和思考方向。
5.中文標題:硫化物納米結構固溶體太陽能材料光催化降解硫化氫，製備氫燃料
英文題目：Photocatalyticdegradation of H2S aqueous media using sulfide nanostructured solid-solutionsolar-energy-materials to produce hydrogen fuel
硫化鋅（ZS）太陽能材料於不同的放大倍率下的SEM圖像（a標尺長度是1μm，b標尺長度為200 nm）
(a)鐵摻雜的硫化鋅（IZS）和（b）鐵-銀共摻雜的硫化鋅（IZSS）的SEM圖
H2S是一種腐蝕性強、易燃的有毒氣體，可溶解於鹼性介質中，並且可以利用其內部半導體性質，通過光化學反應產生H2。Mohsen Lashgarl等研究者用溫和的水熱法分別在有Ag摻雜（IZSS）和無Ag摻雜（IZS）條件下合成了鐵、鋅、硫的三元固溶相納米結構，並將其作為高效光催化劑用以從H2S介質中製備氫化燃料。pH對光催化性能的影響研究表明，當pH=11時，合成的光催化劑光催化活性最高，即HS?濃度也達到最高，而HS?是光氧化還原過程中的重要離子。BET，漫反射和光致發光效應研究表明，三元固溶相光催化劑比其相應的固體溶劑，具有更大的表面積，更強的光子吸收力和更小的電荷重組率，足見其優越性。此外，研究者著重探討了銀摻雜對光催化性能的影響，實驗結果顯示，雖然銀的增加可以極大提高光子的吸收率且相應增加了表面積，但是銀對電子複合過程的阻礙力度極其微弱，所以銀的摻雜並不能很好的提高催化劑的催化活性，且鑒於銀原料價格較高，不適合推廣及應用。本研究的意義不僅提供了一種簡單可行的合成固溶相太陽能材料的方法，並可應用於以H2S為原料產氫，通過進一步研究，得出鐵-鋅-硫三元固溶相光催化劑，提高了產氫效率，意義非凡。
6.用於光催化修復水體環境污染的納米級半導體材料（2018）
原題：Nanoscalewide-band semiconductors for photocatalytic remediation of aquatic pollution
引自：Sarkar B, Daware A V,Gupta P, et al. Nanoscale wide-band semiconductors for photocatalyticremediation of aquatic pollution[J]. Environ Sci Pollut Res Int, 2017:1-23.
圖6.納米ZnO材料作為光催化劑降解工業有機廢物示意圖
近年來水污染逐漸成為危害公眾健康的嚴重問題。在不同形式的水污染物中，化學製劑和生物製劑對水體的危害最大。常規消除這些污染物的方法有樹脂基交換器法，活性炭/碳材料吸附法和反滲透法。同時科學家們還提出了使用植物，微生物，基因工程和基於酶方法的新技術用於水體污染的治理。然而傳統技術已經開始顯示出各種不足之處，因此通過應用納米級氧化鋅（ZnO），二氧化鈦（TiO2）和氧化鎢（WO3）納米材料技術來治理水污染得到越來越廣泛的關注。這些納米光催化劑具有高活性，成本低廉，作用時間更快等優點，並且可以非特異性地針對基於化學和生物的水生污染物。用於環境修復的光催化取決於對太陽光的利用性，光催化的機理涉及在強度高於其帶隙能量的光照射下形成的電子 - 空穴對。在本文中討論了不同的納米ZnO，TiO2和WO3的合成方法及其結構表徵，綜述了納米顆粒對有機污染物光降解的進展研究。
通過摻雜過渡金屬元素和通過使用微波快速結晶合成技術都能夠產生空位和間隙位點，價帶頂部的電子通過與帶隙相比以足夠低的能量吸收來自光子的能量，從而達到導帶能量。由於准穩定狀態的存在，電子可以通過多次光子能量吸收從一個狀態躍遷到另一個狀態。在相關文獻報道中，使用Mn，Co，Ni和Cu等過渡金屬可以使寬頻隙半導體材料如ZnO中帶隙變窄（?3.37eV），TiO2（?3.2eV），ZnS（?3.6eV）和WO3（?2.7eV）。與對流加熱相比，水熱條件下的快速結晶能夠產生更多的成核位點，從而使納米顆粒更快形成。由於晶體生長過程迅速所以沒有足夠時間在晶格尋找優選位置，從而形成能量低於導帶的空位和間隙缺陷。
7.用於光催化降解有機污染物的TiO2納米纖維材料（2018）
原題：Surface-deposited nanofibrous TiO2, forphotocatalytic degradation of organic pollutants
引自：SidaraviciuteR, Krugly E, Dabasinskaite L, et al. Surface-deposited nanofibrous TiO2, forphotocatalytic degradation of organic pollutants[J]. Journal of Sol-Gel Scienceand Technology, 2017, 84:1-10.
圖7. TiO2納米纖維材料的SEM圖（a為煅燒前，b為煅燒後）
光催化材料是一種能夠分解有機污染物的環境友好型環保材料，被越來越多地應用於水體和空氣的凈化。具有纖維層形態的光催化劑由於其高維度結構和優異的光催化性能，在實際應用中得到越來越多的青睞。本文介紹了負載TiO2納米纖維層材料的生產和表徵。通過X射線衍射，掃描和透射電子顯微鏡以及橢圓偏正測試技術來表徵所得材料的微觀結構。催化活性由紫外光下對亞甲基藍和草酸的分解來表徵。
儘管金紅石和銳鈦礦混合形式的催化劑材料已經顯示出光催化能力增強的現象，但納米纖維中兩種晶相的存在並沒有在本實驗測試裝置中遵循這種趨勢。這種觀察結果不僅與相分布有關，更可能與微晶大小有關。光激發電子 - 空穴對在較大的微晶中的壽命出現延長的現象，因為它們遷移的距離較長，表明這些微粒從表面到吸收的中間體具有較快的電子轉移速率。激發後電子的遷移也可能被微晶中煅燒後存在的碳雜質阻礙。上述納米纖維TiO2材料用於光催化分解水中有機物的方法不能直接用於其他環境介質如氣相系統，因為光子吸收的機制和化學物質的反應動力學在固液界面和固氣界面不同。此外光催化劑的活性高度依賴於作為催化劑表面上每單位面積（光子通量）的光能量（光波長）的光強度，並受到液層的限制。即使考慮到上述限制我們仍然可以合成具有高質量催化劑的表面沉積層，包括高可用表面積，孔隙率和吸附能力的納米二氧化鈦催化劑的納米纖維層。納米纖維二氧化鈦材料所產生的表面沉積催化層的特性，如高孔隙度，強吸附能力以及優良的催化性能，在環保領域中具有很高的應用價值。
8.一種用於修復大氣污染的光催化反應器的設計方法（2018）
原題：Integral Design Methodologyof Photocatalytic Reactors for Air Pollution Remediation
引自：Passalía C, Alfano OM, Brandi R J. Integral Design Methodology of Photocatalytic Reactors for AirPollution Remediation[J]. Molecules, 2017, 22(6):945.
圖8. 光催化反應器設計方案
在室內受污染的空氣中通常會發現許多化合物，其中最常見的是揮發性有機化合物。通常選擇一種或多種待消除的污染物作為光催化研究的第一步，每種化合物都具有各自的物理化學性質。通過所選擇的目標化合物的光催化降解動力學機理可以獲得反應速率表達式，這個表達式包括依賴污染物和穩定中間體的濃度以及光子吸收的局部表面速率。要進行光催化實驗測試重要的是要考慮反應器的設計，光觸媒的特性等方面（其光學性質，化學性質等）穩定性，催化劑將被固定在載體材料表面。一般來說光催化劑是金屬氧化物，其性能如同能夠吸收特定波長範圍輻射的半導體。二氧化鈦化學穩定性好，毒性低，成本相對較低，是目前應用最廣泛的光催化劑。二氧化鈦能夠吸收紫外線（UV）範圍內的輻射，促進電子通過能隙進入導帶。這些電子留下的空位或空穴能夠形成能夠將吸附的有機化合物在催化劑表面上形成羥基自由基。
參考（美國賓尼法尼亞州ANSYS公司）提供的公式進行流體力學的計算。基於壓力的分離求解在層流狀態和時間無關模式下被應用於3D模型中。 LSRPA作為自定義函數以及異構反應速率表達式被引入模型中。通過這種方式該軟體解決了受摺疊板上施加的邊界條件的物種平衡。三維網格用四面體和楔子構建，同時測試網格獨立性。在收斂後分析了反應堆內部的輻射和污染物濃度場。收斂的標準是：縮放殘差減少了五個數量級，穩定了宏觀調控和整體質量平衡守恆。通過吸收輻射圖可以看出，儘管有塗層表面的反射但吸收的輻射在頂部比在通道的底部高。另外由於燈的邊緣效應，中央通道看起來更「照亮」，而通往極端通道所能接收的輻射更少。
9. 一種膜生物反應器對抗生素生產廢水的處理分析（2018）
原題：Foulinganalysis of membrane bioreactor treating antibiotic production wastewater atdifferent hydraulic retention times
引自：Yu D, Chen Y, Wei Y, et al. Fouling analysis of membranebioreactor treating antibiotic production wastewater at different hydraulicretention times[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2017,24(10):1-10.
圖9.不同水力停留時間對滲透通量和阻力的影響
本論文對膜生物反應器（MBR）的水力停留時間（HRT）進行了優化處理，研究所用的廢水來自抗生素生產的廢水。實驗結果表明水力停留時間在膜污染中具有重大影響。跨膜壓力（TMP），膜通量和電阻在-6kPa，76Lm（-2）h（-1）bar（-1）和4.5×10 -12 m -1下穩定，當水力停留時間分別在60h，48h和36h時，使用傅里葉變換紅外光譜法測定污染物為碳水化合物和蛋白質，與流出化學需氧量（COD）化合物相關。在36小時的水力停留時間下，膜生物反應器對COD（378mg L（-1））去除率為26％。基於物理和化學清洗後跨膜壓力的降低，不可修復的污染加劇與胞外聚合物增加和可溶性微生物產物減少有關。根據本研究中水力停留時間優化過程中特定攝氧率（SOUR）和混合液懸浮固體物（MLSS）的變化，抗生素生產廢水大大抑制了混合液懸浮固體物的生長。
水力停留時間是影響製藥系統膜污染和性能的重要參數。當水力停留時間從72h減少到36h時，不可修復的污染得到維持不變，進一步減少到24小時，不可修復污染的增加。膜污染物主要含有蛋白質和水合物，它們由可溶性微量產物，細胞外聚合物質和流出的有機物質組成。在72小時水力停留時間期內，可溶性微量產物佔主導地位，當水力停留時間為60，48和36 h時，可溶性微量產物和細胞外聚合物質均為主要污染物，最後的污染是由細胞外聚合物質決定的。減少水力停留時間能夠導致可溶性微量產物和流出的有機物質下降，細胞外聚合物質增加。
10.富營養對海草主導生態系統內微生物活性的影響（2018）
原題：Effects of nutrientload on microbial activities within a seagrass-dominated ecosystem:Implications of changes in seagrass blue carbon
引自：Liu S, Jiang Z, Wu Y,et al. Effects of nutrient load on microbial activities within aseagrass-dominated ecosystem: Implications of changes in seagrass bluecarbon[J]. Marine Pollution Bulletin, 2017, 117(1-2):214.
圖10.硝酸鹽/亞硝酸鹽/銨鹽（DIN）和溶解無機磷酸鹽（DIP）的平均值
富營養化是造成全球海草減少的主要原因。在新村灣（中國南海）的海草場，我們發現富營養化（由於養魚）能夠增加沉積物微生物數量和碳循環（多酚氧化酶，蔗糖酶和纖維素酶）相關的胞外酶的活性，表徵為沉積物有機碳（SOC）的減少，營養物質引發微生物並刺激沉積物有機碳再礦化，真菌的有機碳源不受營養負荷的影響。總體來說這項研究表明，富營養化改變了海草和藻類來源對沉積物有機碳庫的相對貢獻，增加了沉積物微生物生物量和細胞外酶活性，從而改變了海草藍碳。
在新村灣，富營養化能夠誘導植物有機碳源輸入量的增加了，從而提高了細菌和真菌的數量。在實驗網箱周圍能夠檢測到多酚氧化酶，轉化酶和纖維素酶活性的顯著增強，每種酶都有其自身的底物和催化生物化學反應的能力。多酚氧化酶可以促進木質素降解，直接減少海草凋落物中的難處理有機碳。纖維素酶是通過為沉積異養微生物提供更不穩定的有機碳底物而降解纖維素和釋放還原糖作為終產物的酶系統，而蔗糖酶催化蔗糖釋放葡萄糖和果糖作為高活性代謝化合物，此外多酚氧化酶也與清除酚類化合物有關，它可以增加水解酶的活性，從而促進氯的分解，因此富營養化條件下的海藻和海藻衍生物含有豐富的木質素，纖維素，澱粉，蔗糖等，同時具有較高的分解率細胞外酶活性。而過氧化物酶在不同營養水平下是相似的，即使在高營養負荷下真菌生物量任然較高。這可能是由於高N有效阻斷了木質素降解過氧化物酶在一些真菌類群中的表達。在高營養鹽水平上，土壤有機碳含量較高，這似乎與上述結果相矛盾，有機碳儲存是一個由有機碳輸入和輸出控制的複雜過程，因此沉積物有機碳的具體特徵任然需要進一步的研究。
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