具有空穴捕獲功能的新型光催化還原材料研究進

      自20世紀70年代以來，光催化技術由于在解決人類面臨的能源危機和環境污染上的巨大潛力而受到廣泛關注。光催化反應中，半導體光催化材料（如TiO₂）吸收光被激發，產生光生電子和空穴；光生電子和空穴遷移到材料表面后，既可以發生氧化反應，也可以發生還原反應。以光生電子為主導的光催化還原反應能夠有效去除水中多種致癌含氧陰離子。然而，現有光催化還原材料的反應效率較低，制約了其實際應用。為了提升光催化還原反應的效率，通常需要在反應體系中加入空穴犧牲劑來消耗光生空穴，從而避免光生空穴對還原反應的影響。但是，這種方法增加了處理成本，容易造成水體的二次污染，不適宜于飲用水處理。

貴金屬/過渡金屬具有較高的功函數，與光催化材料結合形成異質結，能夠捕獲光生電子，增強光生電子與空穴的分離，進而提升光催化反應效率，在高效光催化材料設計中得到了廣泛應用。但是，這種光催化材料設計并不能有效消耗掉具有強氧化性的光生空穴，實現有效光催化還原反應仍然要依賴在反應體系中加入空穴犧牲劑。在光催化還原材料設計上，如果能夠通過空穴捕獲與消耗來增強光生電子與空穴的分離，那就可以在提升光催化還原反應效率的同時避免在反應體系中加入空穴犧牲劑，解決現有光催化還原凈水材料面臨的問題。

在此思路的指導下，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室環境功能材料研究部李琦研究員及其研究團隊發展出一種高效光催化還原凈水材料，無需加入空穴犧牲劑就實現了在可見光下高效去除飲用水中常見的致癌陰離子溴酸根。經過理論分析和材料篩選，他們選擇了半金屬Bi與金紅石TiO₂結合形成異質結。作為一種半金屬，Bi有著特殊的物理性質。與貴金屬或者過渡金屬相比，Bi的功函數比較低，約為4.22eV，與金紅石TiO₂比較接近；塊體Bi與金紅石TiO₂結合形成異質結時TiO₂產生的光生電子依然能夠被塊體Bi捕獲。隨著其尺寸減小到納米尺度，半金屬Bi從金屬轉變為半導體，伴隨此轉變納米Bi出現導帶位置上升與價帶位置降低的半導體特性。此時，半導體納米Bi的導帶高于金紅石TiO₂的導帶，光照下產生的具有強還原性的光生電子將不能向納米Bi轉移，而是留在金紅石TiO₂上；而光生空穴能夠轉移到納米Bi上，并通過將Bi氧化為Bi³⁺從而被消耗掉。因此，此材料體系不僅能夠通過提高光生電子的壽命來提升光催化還原反應效率，而且避免了在反應體系中加入空穴犧牲劑，非常適宜于光催化還原技術在飲用水處理中的應用。此項研究提供了一種新型高效光催化還原材料設計的思路，有望獲得廣泛應用。相關研究結果發表在Applied Catalysis B:Environmental, 2017, 218, 111-118。論文鏈接（https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.03.084）。

該項研究工作得到了國家自然科學基金、沈陽材料科學國家（聯合）實驗室基礎前沿創新項目以及格平綠色行動-遼寧環境科研教育“123工程”項目的支持。