近日，兰州大学先进催化中心李灿院士团队在光电催化降解持久性水相有机污染物研究方面取得重要进展，通过在金属钨网上生长单斜-六方混合相的WO3，构筑具有高效电荷分离效率的肖特基结和异相结结构，为光生电子-空穴对的定向分离与传输提供了内建电场驱动力。在难降解有机污染物如双酚A降解中达到99%以上的光电催化降解效率。研究成果近期发表在环境催化领域国际权威刊物Applied Catalysis B: Environmental。
环境生态问题是兰州大学催化中心的一个重要研究方向，中心针对兰州乃至西部化学工业和精细化学工业面临的污染物排放问题，致力于发展光催化、光电催化消除水相难降解污染物的先进催化技术。前期发展三维纳米锥结构的TiO2光阳极的光电催化技术降解永久性污染物取得初步进展，发现纳米形貌与光电催化活性的关系（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13664-13674）。这项工作进一步在网状钨表面同时构筑肖特基结和异相结，形成表面内建电场，促进光生电荷分离同时发现网状电极可强化污染物在电极表面区域和反应器内的传质过程，可极大地促进极低浓度污染物在催化剂表面的吸附和反应。该工作为光电催化降解污染物体系中光电极的设计提供了新的科学思路，所发展的WO3/W基光电催化技术对降解水相污染物具有重要的应用前景。
水相中有机污染这一环境问题严重威胁着人类的生命健康，受到全世界各国的高度重视。尤其我国出台严格的环境保护法，对水相污染物规定严苛的标准。特别是废水中持久性有机污染物具有环境高毒性与难降解性，传统的生物或物理化学方法很难有效消除这类污染物。因此，发展有效消除此类污染物的先进技术不仅是重要的科学难题，而且具有重大的实际应用意义。本工作结合光催化和电催化的优点，发展了光电催化（PEC）降解水相中有机污染物的先进技术。在光电催化过程中，关键的科学问题是如何有效提升PEC体系的光生电子-空穴对分离效率，进而构筑具有高效光生电荷分离效率的光电催化反应体系。
本工作通过在金属钨网上生长单斜-六方混合相的WO3，构建了肖特基结和异相结结构、形成了内建电场，为电子-空穴对的定向分离与传输提供了驱动力。实验发现当外部偏压方向与内建电场方向一致时，电荷的传输及分离效率得到了显著提升，活性物种的产生量大幅增加。同时，网状电极有利于反应物扩散，明显增强了污染物在电极表界面和反应器内的传质。由此构筑的光电催化体系在污染物降解过程展现出优异的性能，对难降解污染物模型分子双酚A在150 min内的降解效率和矿化效率分别达99.9%和60.9%，优于目前文献报道的结果，显示重要的潜在应用前景。
图1. 异相结WO3/W网光电极的结构、形貌表征。图片来源：Appl. Catal. B Environ.
利用两步水热法在钨网上原位生长了具有异相结结构的WO3，XRD和Raman光谱证明了WO3以单斜相和六方相存在，结合Raman光谱和SEM等表征分析，该光电极的体相是单斜相WO3，表面同时暴露了单斜相和六方相WO3。
图2. 异相结WO3/W网光电极的能带结构及电子转移路径。图片来源：Appl. Catal. B Environ.
通过在金属钨网上生长单斜-六方混合相的WO3，构建了肖特基结和异相结结构并形成了内建单场，为电子-空穴的定向传输与分离提供了驱动力。当外部偏压方向与内建电场方向一致时，电荷的传输及分离效率得到了显著提升，这时得到了最高的光电流密度。
图3. 光生电荷的分离及传输动力学。图片来源：Appl. Catal. B Environ.
光电化学测试、荧光光谱和时间分辨荧光光谱显示制备的异相结具有优异的光生载流子分离和传输效率，同时较单一相而言，异相结WO3光电极的电荷寿命得到了提升。
图4. 网状电极与平板电极的流体行为。图片来源：Appl. Catal. B Environ.
根据计算流体动力学模拟，相较于传统平板电极，网状电极的表面及整个反应器体系的流体传质得到了优化。
图5. 异相结WO3/W网光电极光电催化双酚A的降解活性。图片来源：Appl. Catal. B Environ.
异相结WO3/W网光电极对模型污染物：双酚A的降解展现出优异的活性，反应150 min后，其降解效率和矿化效率分别达99.9%和60.9%，优于目前的工作报道。
图6. 异相结WO3/W网光电极光电催化降解双酚A的机理探究。图片来源：Appl. Catal. B Environ.
结合自由基猝灭实验、电子自旋共振、荧光光谱等结果，该体系内产生了具有强氧化性的活性物种羟基自由基和超氧自由基，同时结合污染物的传质增强，实现了对难降解污染物双酚A的高效降解和矿化。
Photoelectrocatalytic degradation of refractory pollutants over WO3/W network photoelectrode with heterophase junction for enhancing mass transportation and charge separation
Qiuling Ma, Rui Song, Fujun Ren, Hao Wang, Wensheng Gao, Zelong Li*, Can Li*
Appl. Catal. B Environ., 2022, 309, 121292. DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121292
李灿院士，理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，任洁净能源国家实验室（筹）主任及太阳能研究部主任，兰州大学教授、双聘院士，先进催化中心主任（甘肃省先进催化重点实验室主任），兼任中国科学技术大学材料与化学学院院长，中国化学会催化委员会主任。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士。
主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，研制了具有自主知识产权的国内第一台用于催化材料研究的紫外共振拉曼光谱仪并开始商品化生产；在国际上最早利用紫外拉曼光谱解决分子筛骨架杂原子配位结构等催化领域的重大问题；发展了短波长手性拉曼光谱和光电超快及成像光谱技术，发展了纳米笼中的手性催化合成等研究。其中，汽油和柴油超深度脱硫技术等已工业化；从2001年起，致力于太阳能转化和利用科学研究，包括光催化、光电催化和电催化分解水制氢和二氧化碳还原等人工光合成研究，以及先进太阳电池和太阳发电技术探索。2020年，领导的团队完成全球首套直接太阳能液态阳光甲醇千吨级工业示范，为实现碳达峰碳中和目标提供了可行的技术路径。
先后获得中国科学院自然科学二等奖（1993年），中国青年科学家奖（1993年），香港求是科技基金杰出青年学者奖（1997年），中国杰出青年科学家奖（1998年），国家科技发明二等奖（1999年），国际催化奖（2004年），中国科学院杰出科技成就奖（2005年），何梁何利科学技术进步奖（2005年），国家自然科学二等奖（2011年），中国催化成就奖（2014），亚太催化成就奖（2019），辽宁省自然科学一等奖（2015年），日本光化学奖（2017年），中国光谱成就奖（2018年），国际清洁能源“创新使命领军者”奖（2019）及“中法化学讲座奖”（2021年）等。
李泽龙，理学博士，青年研究员。2008年7月毕业于大连理工大学；2014年1月在中国科学院兰州化学物理研究所攻读博士学位，获理学博士学位；2014年1月就职于中国科学院兰州化学物理研究所；2015年4月至2018年11月在中国科学院大连化学物理研究所从事博士后研究工作，合作导师：李灿院士。2018年11月加盟兰州大学李灿院士团队，该团队致力于新能源发展、生态环境保护及高端化学品合成三个方面的研究工作。
马秋羚，兰州大学在读博士研究生。2016年毕业于北京交通大学土木建筑工程学院，获工学学士学位；2019年毕业于兰州大学资源环境学院，获工学硕士学位；2019年至今于兰州大学攻读博士学位，师从李灿院士，主要从事光电催化降解有机污染物方面的研究工作。
2018年李灿院士作为“双聘院士”加盟兰州大学后，为了促进兰州大学在物理化学和催化方向的教学和科研工作，在兰州大学及化学化工学院的大力支持下，于2019年7月成立兰州大学先进催化中心。中心立足西部能源资源特色，以催化为核心学科基础提升西部在新能源，生态环境，高端化学品合成等绿色低碳可持续发展方面的研究实力和水平。兰州大学先进催化中心践行“四个面向”，注重“产-学-研”发展，特别为西部发展提供技术和人才支撑。2020年，得到甘肃省科技厅的支持，依托先进催化中心及物理化学研究获批甘肃省先进催化重点实验室。
兰州大学先进催化中心从2019年7月成立至今，尽管期间受到新冠疫情的影响，但中心老师及同学们克服困难，勤奋努力，锐意创新，一边建设实验室、一边开展研究工作，所部署的研究方向上已经取得初步进展，该工作是兰州大学先进催化中心成立后，在中心独立完成发表的首篇工作。
兰州大学先进催化中心长期招收研究生、招聘博士后及科研助理（优秀者可享受学校萃英博士后和青年研究员待遇），欢迎有志于催化研究工作的研究生、博士后及科研助理加盟李灿院士团队。
兰州大学先进催化中心李灿院士团队博士后招聘启事（兰州大学新闻网）：
http://news.lzu.edu.cn/c/202006/70530.html。
本文来源X-MOL资讯仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系翟女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
