Page 53 - 《精细化工》2023年第6期
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第 6 期                   周添红，等:  外场辅助光催化机理及降解有机污染物研究进展                                   ·1203·


                                                        +
            跃迁到导带（CB）上，价带上留下等量空穴（h ）。                          应用中面临的问题进行了总结，并对未来研究和发
            电子具有还原性，空穴具有氧化性，在催化剂表面                             展方向进行了展望。
                                        –
            与水和氧气反应产生•OH 和•O 2 ，矿化降解有机污染
            物 [4-5] 。该技术在节约资源的同时降低处理成本，具                       1   外场辅助光催化
            有绿色安全、无二次污染优点               [6-9] 。但光能-化学能
                                                               1.1   电场辅助光催化
            转化效率低、载流子复合快等问题造成光催化技术                                 在高级氧化技术中，光电耦合技术研究较广泛，
            处理效率较低，限制其大规模实际应用                   [10-12] 。如何
                                                               可应用于制氢、全解水、还原 CO 2 、降解污染物等
            进一步提高光催化效率是近年光催化技术的研究关
                                                               诸多领域。外加电场提供偏压，使受光激发产生的
            键。光催化过程包括载流子的产生、分离和转移及
                                                               电子和空穴向相反方向迁移，从而加速光生载流子
            表面氧化还原反应 3 个步骤，提高光催化效率需从                           的分离，避免其复合，提高自由基产率，进而提高
            提高这 3 个步骤的效率入手            [13-14] 。目前，研究主要
                                                               光催化效率     [25-26] 。
            分为两个方向，对光催化剂的改性和外场辅助。对
                                                                   光电催化技术（PEC）是将光催化剂负载到衬
            催化剂本身的改性研究较为广泛，包括对催化剂尺寸                            底电极上，其作为光阳极与另一阴极板相连。在电
            形貌等的调控      [15] 、离子掺杂  [16-17] 、贵金属沉积   [18-19] 、  流作用下，光阳极产生的光生电子迁移到阴极，空
            半导体复合      [20] 等。材料的创新与理论的提出推动了
                                                               穴留在阳极，促进光生载流子的分离。空穴和电子
            光催化技术的发展。近年来，光催化技术获得了诸
                                                               在两极分别参与反应，能够充分发挥载流子的作用，
            多突破性进展，但目前新型催化剂的改性难度越来
                                                               提高活性物种数量，实现能量的高效利用                   [27-28] 。利
            越大，催化剂性能的提升越来越难，同时在环境污
                                                               用导电性较好的催化剂可以促进载流子分离，提高
            染物治理领域仍需进一步提高光催化降解有机污染
                                                               催 化 效 率。马 晓明 等        [29]  利用 类石墨 相氮 化 碳
            物的效率。
                                                               （g-C 3 N 4 ）和二氧化钛纳米管阵列（TNAs）制备了
                 目前，研究人员也致力于采用外场辅助的方法
                                                               g-C 3 N 4 /TNAs 光阳极材料，g-C 3 N 4 和 TNAs 的复合
            提高光催化效率。外场包括电场、微波场、超声场、
                                                               提高了光阳极对可见光的响应能力，加速了光生电
            磁场、热场等（图 1）。将外场能量转移到光催化体系，
            能够为光催化提供动力，从而提高光催化效率                     [21-22] 。  子迁移，在光电催化体系内对邻氯硝基苯（o-CNB）
                                                               的降解率高于单一催化，光电催化的去除率能够达
            在光催化的 3 个步骤中，不同外场具有不同的机理
                                                               到 65.80%，而可见光照射对 o-CNB 的去除率仅为
            和优势，能够通过提高溶液传质效率、抑制载流子
                                                               17.87%。另外，所有 g-C 3 N 4 /TNAs 光阳极均表现出
            复合、提高自由基产率等途径，提高光催化效率。
                                                               比 TNAs 更高的光电催化效果，说明 g-C 3 N 4 的加入
            此外，外场引入简单、条件可控、过程无污染，在                                                            [30]
            降解污染物方面具有极大的潜力               [23-24] 。             加速了光生电子的迁移。WANG 等                设计和构建了
                                                               WO 3 /Au/羟基氧化铁（FeOOH）纳米板光阳极用于
                                                               盐酸四环素（TC-HCl）的光电催化降解，TC-HCl
                                                               在 50 min 内降解率达到 99.0%，远高于光催化的
                                                               23.4%和电催化的 7.0%。在光电催化体系下，由于
                                                               外加电源提高了空穴的利用率，所以电极表面生成
                                                               更多•OH。催化示意图如图 2a 所示，WO 3 /Au/FeOOH
                                                               负载在 FTO 导电玻璃上构建光阳极，由于 WO 3 的
                                                               导带能级（E CB ）高于 Au 的费米能级（E f ），二者结
                                                               合形成肖特基势垒，当受到光激发，Au 表面化学态
                                                               （SP state）的热电子将流入 WO 3 。而 FeOOH 作为
                                                               助催化剂，可以有效地从 WO 3 的价带能级（E VB ）
                                                               转移空穴，使其与 H 2 O 反应产生大量•OH，从而将

             图 1   提高光催化降解有机污染物效率的常见辅助外场                       大分子污染物氧化降解为小分子氧化物（OX）。如
            Fig. 1    Common external fields for improving the efficiency   图 2b 所示，WO 3 、FeOOH 与 Au 的三元复合极大提
                   of photocatalytic degradation of organic pollutants
                                                               高了光电 催 化效率， 与 二元复合 （ WO 3 /Au 、
                 本文综述了电场、热场、微波场、超声场、磁                          WO 3 /FeOOH）相比，降解率提高了约 1 倍。
            场辅助光催化的基本原理以及在降解污染物方面的                                 与光电催化技术不同，电助光技术（EAP）是
            应用，归纳了每种外场辅助技术的优缺点，对其在                             将光催化剂自身制备成薄膜或薄片，外加微小电场，
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