新型光催化还原净水材料可除致癌离子

最近，中国科学院金属研究所沈阳国家(联合)材料科学实验室环境功能材料研究室研究员李奇和他的研究团队开发了一种高效光催化还原净水材料，该材料能够在可见光下有效去除饮用水中常见的致癌阴离子溴酸盐，而无需添加空穴牺牲剂。相关研究成果发表在《应用催化》B辑《环境》上。

为了提高光催化还原反应的效率，通常需要在反应体系中加入空穴牺牲剂来消耗光生空穴，从而避免光生空穴对还原反应的影响。然而，这种方法增加了处理成本，容易造成水体的二次污染，不适合饮用水处理。

贵金属/过渡金属具有高功函，与光催化材料形成异质结，可以捕获光生电子，增强光生电子与空穴的分离，进一步提高光催化反应效率。它已被广泛应用于高效光催化材料的设计中。然而，这种光催化材料的设计不能有效地消耗具有强氧化的光生空穴，并且有效光催化还原的实现仍然依赖于在反应系统中添加空穴牺牲剂。在光催化还原材料的设计中，如果可以通过空穴捕获和消耗来增强光生电子和空穴的分离，则可以在提高光催化还原反应效率的同时避免反应体系中的空穴牺牲剂，从而解决上述问题。

经过理论分析和材料选择，该团队选择了结合半金属铋和金红石二氧化钛形成异质结。铋作为半金属，具有特殊的物理性质。与贵金属或过渡金属相比，铋的功函数较低，为4.22电子伏，接近金红石型二氧化钛。当大块铋和金红石型二氧化钛结合形成异质结时，二氧化钛产生的光电子仍然可以被大块铋捕获。随着其尺寸减小到纳米级，半金属铋从金属变为半导体。随着这种变化，纳米铋具有增加导带位置和减少价带位置的半导体特性。此时，半导体纳米铋的导带高于金红石型二氧化钛。在光照下产生的具有强还原性的光生电子不会转移到纳米铋上，而是保留在金红石型二氧化钛上。光生空穴可以转移到纳米铋，并通过氧化铋为Bi3+而被消耗掉。该材料体系不仅可以通过延长光电子的使用寿命来提高光催化还原反应效率，而且避免了在反应体系中添加孔牺牲剂，非常适合光催化还原技术在饮用水处理中的应用。(王馨漪)

《中国科学报》(第五版《创新周刊》，2017年7月31日)