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王津南副教授研究小组在基于助催化剂调控光催化还原硝酸盐技术方向取得进展

       随着水体富营养化问题日益突出,总氮作为水体富营养化的重要指标之一,已经被纳入排放标准管理体系中。此外,硝酸盐在人体内可转化为亚硝酸盐,形成致癌、致畸和致突变的亚硝基化合物,导致高铁血红蛋白症、婴儿畸形及癌症等多种疾病,因此愈来愈多的国家和卫生组织将硝酸盐作为重要的水质指标加以控制。虽然光催化还原技术具有快速高效、操作简单等优点引起了众多学者的关注,但光催化还原过程中硝酸盐转化率与氮气选择性低等问题依然需要解决。
       王津南副教授研究小组在前期利用助催化剂调控磷酸银/二氧化钛基光催化材料活性与稳定性的研究基础上(APPL CATAL B-ENVIRON,2017,203,964–978),通过助催化剂调控光生载流子与界面反应实现了Pd/GdCrO3高选择性光催化还原水中硝态氮的目标。复合光催化材料基体GdCrO3高负导带位使其具有较强的光催化还原能力,导带上的光生电子能够直接还原硝酸根离子,且助催化剂Pd的功函数高于GdCrO3,使得光生电子可以不断地从GdCrO3迁移至Pd,从而有效降低载流子的复合率;另一方面,助催化剂Pd作为电子捕获阱还能起到延长激发电子寿命的作用,因此,Pd/GdCrO3光催化还原活性明显提升。值得注意的是,助催化剂Pd自身对亚硝酸根离子具有较高的还原活性,DFT理论计算表明亚硝酸盐首先在钯表面被还原成NO*,NO*会进一步分解为N*和O*,从而使得富集在催化材料周围高浓度的亚硝酸盐和N*结合生成N2O*,而这种N2O*中间体又非常有利于被选择性还原成为N2。因此,Pd/GdCrO3可以将水中硝酸根离子高效还原为氮气。这一研究成果为光催化技术在废水总氮控制领域的应用提供了新的思路。该工作的第一作者为硕士生侯志昂,王津南副教授为通讯作者。这一科研成果于2018年3月19日在线发表于Applied Catalysis B: Environmental上(https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.03.055)。
图1. 光催化材料Pd/GdCrO3扫描电镜图与透射电镜图

图2. Pd/GdCrO3光催化还原硝酸根离子机理

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