原位红外光谱技术研究有机物光催化降解机理

【作者】 陈春城； 盛桦； 籍宏伟； 马万红； 赵进才；

【机构】 中国科学院化学研究所光化学院重点实验室；

【摘要】 低浓度、高毒性、难降解有机污染物(如卤代物、染料、农药、抗生素药物等)引起的环境问题已经严重影响人类的健康。光催化技术是近年来发展起来的一类高效绿色的消除水中难降解有毒有机污染物的新技术。污染物降解量子效率低严重限制光催化规模化应用。围绕这个问题,科学家已经在催化剂开发方面做了大量的努力,但是对污染物降解的微观界面机理的研究仍然严重不足。我们通过原位红外研究手段和技术对有机污染物光催化降解的界面机理以及大气颗粒界面光化学转化机制等关键问题进行了系统研究,主要结果包括:(1)水分子被光生空穴活化生成羟基自由基是有机污染物光催化降解的关键步骤,我们的红外光谱研究和理论计算发现以路易斯酸碱吸附的水分子,由于其电子云密度降低而不利于捕获光生空穴被活化成羟基自由基;相反,以氢键模式吸附的水分子更有利于被空穴活化。进一步通过表面改性及晶面调控等手段控制水分子在TiO2表面的模式,极大地提高了水分子活化为羟基自由基的效率。(2)光催化过程中质子的重要作用及质子耦合电子转移机理。光催化降解污染物的反应中,除了电子的得失外,都同时伴随着最基本的化学元素氢(质子)的反应和传递。然而以往的研究只重点关注了电子转移及其机理,忽略了质子转移在污染物降解过程中的重要作用。我通过动力学同位素效应等手段发现一系列重要过程中质子转移均起到重要作用,证明了质子耦合电子转移过程是光催化反应中的普遍机理。更多还原