清华大学朱永法课题组Account文章：利用有机超分子光催化剂在太阳光下处理污水的研究进展

近日，《催化学报》在线发表了清华大学朱永法教授团队在光催化污水处理领域的最新Account文章。该工作报道了用于光催化处理污水的高效超分子光催化剂的最新研究进展，主要涉及提高光催化技术的太阳能利用率、矿化速率和处理通量等方面。论文共同第一作者为：刘伟旭和贺唱，论文通讯作者为：朱永法教授。

对水体中酚类等难降解有机污染物进行深度矿化处理，实现无毒无害排放，是提高环境质量、实现可持续发展的关键。如何高效去除水体中难降解有机污染物不仅是环境化学污染控制的研究热点，也是制约工业废水回用的技术瓶颈。光催化可直接利用太阳光实现污染物的深度矿化和无毒无害排放，为该难题的解决提供了新思路。但对传统无机光催化剂而言，光利用率低、降解速率慢和净化通量低制约了其实际应用。而以超分子光催化剂为代表的有机半导体有望以绿色和可持续的方式解决上述光催化技术的瓶颈问题。

基于上述在光催化污水处理领域的科学问题，本文总结了本课题组在利用有机光催化剂降解污染物时提出的三个策略，以进一步推动光催化污水处理技术的实际应用，供该领域的研究者借鉴。

图1. 本文中总结的关键科学问题及其相应解决策略。

要点：

首先，我们开发了一系列新型超分子和聚合物有机光催化体系，以提高光利用效率。通过利用单体结构调节对能带位置的影响，我们将光催化剂的吸光范围扩展到了近红外区域，实现了太阳光下的污染物矿化。其次，我们揭示了分子偶极和结晶有序度在调节光催化剂内建电场中的作用，使光生电荷从体相高效迁移到表面，从而显著提高了污染物降解和矿化速率。最后，我们建立了光自芬顿的高通量矿化有机污染物的新方法，显著提高了光催化技术的处理能力，克服了芬顿技术的局限性。光自芬顿体系通过将光催化氧化还原反应原位生成双氧水与原位芬顿反应耦合，无需外加双氧水，实现了可见光下的高通量矿化，将污染物的矿化度从30%提高到90%以上。

全文小结

我们通过小分子自组装、增强分子偶极和结晶度调控内建电场以及与Fenton催化剂耦合等策略，解决了光催化去除污染物过程中太阳光利用率低、矿化速率低和处理通量有限等瓶颈。与典型的光催化剂相比，我们课题组开发的超分子和聚合物有机光催化剂在降解有机污染物方面表现出优异的性能。然而，这些解决方案也面临着新的挑战。（1）超分子有机光催化剂是通过单体间的弱相互作用形成的，在催化过程中容易解构；这些单体分子日渐复杂的设计也增加了其合成路线的复杂性和成本。（2）尽管通过增强内建电场提高了污染物的去除速率，但与芬顿催化剂相比，距离实现工业化要求的处理能力的差距仍然很大。（3）虽然我们的光自芬顿体系无需外加双氧水即可有效利用太阳光对有机污染物进行高通量矿化，但它仍需要引入大量铁离子作为芬顿催化剂。考虑到载流子传输与对光催化活性的影响几乎与载流子分离相同，当务之急首先是重点探索和提高超分子光催化剂内部的载流子传输速率。随后，通过将高活性的超分子光催化剂牢固地锚定在载体表面或通过共价键结合，我们可以进一步提高它们的稳定性。这一进展又自然而然地引导我们将这些兼具稳健和高效的光催化剂与非均相芬顿催化剂结合起来，从而推动新型光自芬顿体系的发展。

作者介绍

文献信息：

Weixu Liu, Chang He, Bowen Zhu, Enwei Zhu, Yaning Zhang, Yunning Chen, Junshan Li, Yongfa Zhu *, Chin. J. Catal., 2023, 53: 13–30  (点击链接到Elsevier网站，下载全文）