李灿院士团队JACS：持久性有机污染物光电催化降解取得重要进展

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

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，通过纳米尺度上调控二氧化钛（TiO2）光电催化剂形貌，构筑具有高效电荷分离效率以及传质能力的纳米锥形光电催化剂，在难降解有机污染物如酚类化合物降解中达到99%以上的光电催化降解效率。研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。

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。

图1. Na2EDTA辅助水热法构筑不同形貌结构的TiO2催化剂示意图。

在本工作中，通过乙二胺四乙酸二钠（Na2EDTA）辅助水热的策略，成功制备了具有三维纳米锥结构的TiO2光电催化剂（图1），并用于难降解有机污染物4-氯酚（4-CP）为代表的降解反应。基于此纳米锥催化剂的PEC实现大于99%的4-CP降解效率（图2a）及55%以上的矿化效率（图2b）。同时，也实现了氯原子的脱除（图2c）。纳米锥催化剂对于4-CP的降解表现出5.05 h-1g-1m2的表观动力学常数，分别是常用的纳米棒及纳米颗粒催化剂动力学常数的3及6倍（图2d）。

降解总反应：

图2. 不同形貌TiO2催化剂PEC性能。不同催化剂光电降解4-CP过程中（a）降解百分比，（b）总有机碳（TOC）去除率（矿化百分比）以及（c）脱氯百分比。（d）不同TiO2催化剂降解动力学图

图3. 机理讨论。（a）不同催化剂Mott-Schottky图（b）不同催化剂光态EIS阻抗谱（c）PL光谱图（d）瞬态吸收光谱（TAS）（e）催化剂注入效率测试（f）催化剂羟基自由基产生浓度（i）不同催化剂表面反应速率对比

纳米锥形光电催化剂之所以显示优秀的光电催化性能主要归因于高效的电荷分离（图3），实验证明，纳米锥结构可在材料表面形成较大的空间电荷层（图3a），从而表现出高效的光生电荷迁移（图3b）、分离（图3c-d）与注入（图3e），促进了降解反应所需活性物种的产生（图3f）。同时，本工作通过CFD理论模拟还发现TiO2纳米锥形貌极大地促进催化表面反应的传质能力（图4）。模拟计算表明锥形阵列空隙中较大的水体积分布以及液相流速，提升了反应中有机污染物的传质效率（图4），促进了4-CP在表面的光电催化降解反应。这为理性设计并构筑水相中有机污染物高效降解的光电催化PEC技术提供了科学基础和有效的技术策略。

图4. 流体动力学模拟。水流在（a）TiO2纳米锥以及（b）TiO2纳米棒体积分布数值

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是兰州大学博士研究生宋睿和中国科学技术大学博士研究生池海波，李泽龙研究员和李灿院士为共同责任作者。

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）：

Highly Efficient Degradation of Persistent Pollutants with 3D Nanocone TiO2-Based Photoelectrocatalysis

Rui Song,# Haibo Chi,# Qiuling Ma, Dongfeng Li, Xiaomei Wang, Wensheng Gao, Hao Wang, Xiuli Wang, Zelong Li,* and Can Li*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 13664–13674, DOI: 10.1021/jacs.1c05008

通讯作者介绍：

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。

第一作者：

宋睿，2017年7月毕业于中国科学技术大学化学物理系，获理学学士学位。2017年9月至今于兰州大学攻读博士学位；池海波，中国科学技术大学在学博士生，二者均师从李灿院士，主要从事光电催化降解有机污染物方面的研究工作。

兰州大学先进催化中心简介

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 

科研思路分析

Q：这项研究最初的目的是什么？

A：如上所述，我们的研究兴趣集中于可以高效降解有机物污染物的光电催化体系的开发，并基于这样的研究思路解决现代化学工业和药物合成工业面临的实际应用的问题。众所周知，水污染严重威胁人们的生命健康安全，而针对水污染的深度处理尚缺乏有效的手段。电催化体系虽然技术成熟，但存在材料受限、污染物传质受限等问题；光催化体系尽管体系简便、催化剂与污染物接触充分，但会受到催化剂与体系分离、光生载流子分离等问题的困扰。而结合了二者优点的光电催化体系是一种新型的具有潜力的污染物处理体系。与此同时，光电催化体系本身仍然会受到光生电荷分离效率的影响，从而限制了整个体系的催化性能。基于这样的问题，我们在纳米尺度上对催化剂形貌结构进行调控，实现高效的光生电荷分离，提升体系的传质能力，从而实现有机污染物的高效降解。

Q：研究过程中遇到哪些困难与挑战？

A：该工作最大的挑战是构筑高效稳定的催化剂结构，以实现高效的光生电荷分离。在此过程中，大连化物所团队在太阳能电池方面的经验积累对于催化剂的构筑起到了重要的作用。

Q：该项研究结果可能具有的实际意义与应用？

A：对催化剂形貌结构进行调控，实现光生电荷的高效分离，进而实现污染物的高效降解。基于这项研究进展，我们相信未来可以开发出更高效、更贴近实际污染物降解应用的催化体系。另外，在该研究工作中强调了传质对于催化反应的重要性，对于以后降解工作催化体系的设计具有一定的参考意义。

如果篇首注明了授权来源，任何转载需获得来源方的许可！如果篇首未特别注明出处，本文版权属于 X-MOL （ x-mol.com ）， 未经许可，谢绝转载！