高效三相界面光催化反应体系

随着工业化进程的不断加快，水中排放的大量难降解有机污染物已经成为影响人们健康的重大问题。因此开发快速有效的水处理方法是当下紧迫的课题。近日，苏州大学的封心建教授（点击查看介绍）团队通过对光催化反应界面进行合理调控，构筑了新颖的三相反应体系，极大的提高了光催化反应的速度。

半导体光催化可降解多种有机污染物，在过去半个世纪一直是人们研究的重点。光催化反应是利用光辐照半导体所产生的光生电子和空穴来降解有机污染物。在这一过程中，电子和空穴的复合问题是制约催化反应效率的关键因素。传统抑制复合的方法一般是对半导体进行贵金属负载、异质材料复合等。这些方法只能使得电子和空穴在颗粒尺度大小的有限空间内进行短暂分离。而有效抑制复合的方法是用电子和空穴捕获剂将它们从催化剂表面清除。氧气是一种天然高效的电子捕获剂，它和电子结合能够产生反应活性极强的超氧自由基。然而，氧气在水中特别是在污水中的溶解度很低，传输速度非常慢，严重限制了对电子的捕获，从而也极大的限制了光催化反应的效率。

苏州大学封心建教授研究团队从仿生超疏水材料中受到启发，构筑了气-液-固三相光催化反应体系。超疏水表面可以在与液体接触时形成与大气连接的空气囊，将气相引入反应界面。他们在超疏水基底上负载了半导体催化剂，这样的复合结构在没入水中的时候，水能够浸没催化剂，但不能浸没基底，从而在催化剂表面上形成了气体、液相、固体三相共存的反应界面。氧气能够从空气中快速传输至反应界面，相比在水中的传输，这一传输速度提高了5个数量级，因此反应界面上维持了很高的氧气浓度，有效的促进了电子和空穴的分离，极大的进而促进了催化反应动力学。

三相光催化反应体系

作为一个实例验证，他们采用TiO₂ 作为催化剂，以水杨酸作为污染物代表，发现相对于传统液-固两相反应体系，三相体系在量子效率上有了明显的提高。更为重要的是，在两相体系中，由于氧气的传输受限，随着光生载流子数目的增加（增加光辐射强度），复合率会持续增长，导致量子效率下降，因此基于两相的光催化反应往往只能在很低的光强下，利用有限的光生载流子进行。而三相体系极大的提高了氧气的传输，有效的降低了复合率，使得催化反应在相对很高的光辐射强度下（能够达到两相反应的8倍）仍然能维持很高的量子效率。这也说明，在两相体系中，催化剂的动力学过程被复合行为严重限制，催化剂的催化能力远远没有被发挥出来。此外，他们还证明了在这一过程中氧气不仅有助于电子和空穴的有效分离，其与电子反应所生成的超氧自由基还能够对有机物进行降解，而且电子的及时捕获也同时避免了其在催化剂表面的聚集，从而避免了对催化剂的腐蚀破坏（光腐蚀过程），促进了催化反应长期稳定的进行。这一特性也使得三相催化体系在一些特别容易被腐蚀的催化剂中有重要应用潜力。

三相体系与两相体系的催化性能对比

该三相光催化反应体系提供了一个探索和提高光催化剂动力学的平台，并强调了除催化剂材料设计外，体系结构的设计对半导体光催化性能也有着非常重要的作用。鉴于其对催化剂材料的广泛适用性，这种新型且高效的光催化反应体系在水净化和环境修复系统中有广泛应用前景。

这一成果最近发表在Journal of the American Chemical Society 上，并被该杂志作为亮点文章（Spotlights）进行了报导。

该论文作者为：Xia Sheng, Zhen Liu, Ruosha Zeng, Liping Chen, Xinjian Feng*, Lei Jiang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enhanced Photocatalytic Reaction at Air−Liquid−Solid Joint Interfaces

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 12402−12405, DOI: 10.1021/jacs.7b07187

导师介绍

封心建

http://www.x-mol.com/university/faculty/47858