新型光催化材料的制备及其在有机降解中的性能分析

摘要：文研究了新型光催化材料的制备技术及其在有机污染物降解中的应用价值，旨在解决传统光催化材料在光谱响应范围有限、光生载流子复合率高等问题。通过溶胶-凝胶法、水热合成、共沉淀法和热解法等技术，制备了掺杂改性和复合设计的新型光催化材料。实验表明，这些材料在降解效率、光谱响应范围、电子-空穴分离能力及长期稳定性方面具有显著优势，部分材料降解效率提升至95%以上。

关键词：新型光催化材料；有机污染物；降解性能；材料制备

引言

新型光催化材料在有机污染物降解中的应用日益受到关注，其具有高效性、低能耗和环境友好的特点。随着工业化的快速发展，有机污染物已成为影响环境质量的重要因素，而传统的物理、化学方法难以实现彻底降解。光催化技术因其以太阳光为能量来源，通过光催化反应降解污染物而备受瞩目。

1. 新型光催化材料的概述

光催化材料主要依托于半导体材料在光照下产生的电子-空穴对的反应效能。如表1所示。

2.2 水热合成技术

水热合成法在高温高压环境下制备光催化材料，可制备出比表面积更广、晶粒分布均匀的材料。以氧化锌纳米棒为案例，调整反应温度（150°C至200°C）及反应时长（6小时至12小时），可合成尺寸介于30-100纳米、横截面直径在5-10纳米之间的ZnO纳米棒。实验表明，在光催化作用下甲基橙溶液的降解，该样品在200°C下制备时，其降解率可达到92.1%，样品在150°C条件下制备的显著更优（降解率为78.3%）。

2.3 共沉淀法

共沉淀法系光催化材料制备领域内广为采用的传统技术，调节溶液pH值、反应温度及金属离子浓度，实现目标离子共沉淀，构建稳定的先驱体，随后通过高温灼烧制备光催化材料。

2.4 热解法

热解技术为高效制备光催化材料提供了一种途径，采用高温对前驱体材料进行处理，通过热解反应制备目标物质。此法凭借其高效、便捷及原料高纯度等优势，广泛用于复合光催化材料的制备。例如，关于CuO-TiO₂复合光催化材料的制备研究，采用500°C高温对前驱物进行热分解，该材料展现出卓越的光催化活性，其降解甲基蓝的能力超过90%。此现象主要源于热解阶段产生的极细分散的复合结构，显著提升了光生电子与空穴的分离效能。

3. 新型光催化材料在有机降解中的性能分析

3.1 降解效率的提升

新型光催化材料通过结构优化与功能化改造显著增强了其降解有机污染物的效能。传统的光催化材料，诸如TiO₂和ZnO，受限于能带结构及光生载流子复合率高等因素，降解有机污染物的效能受限。为突破此局限，采用掺杂技术及复合结构设计的新型光催化材料，旨在提升其光催化效能。

应用策略层面，关于不同污染物降解需求的研究，应挑选具备特定功能的新型光催化素材。采用恰当的挑选与构造创新光催化素材，可于实际应用中达成更高效率的有机污染物处理。

3.2 光谱响应范围的拓宽

光谱响应范围的扩展是新型光催化材料性能提升的关键途径之一，传统光催化材料，例如TiO₂，仅对紫外光作出反应，自然光中紫外线所占比例约为5%，大幅降低了其实际应用效能。针对该问题采取对策，新型光催化材料通过调节能带结构，扩展了光谱响应域。例如，g-C₃N₄与金属氧化物（如ZnO）进行复合，大幅增强其可见光吸收性能。该复合结构借助能带耦合效应，使吸收峰从紫外区域向可见光红端偏移，使材料在自然光照射下高效诱导光催化反应。g-C₃N₄与ZnO复合物在可见光照射下对甲基橙的降解效果达到88%，与单一材料相比，性能提升达54%以上，具有显著性。

3.3 光生电子-空穴对的分离效率

光生电子-空穴对高效分离是提升光催化效能的核心因素。新型光催化材料借助表面改性、复合结构构建及界面调控，显著降低了电子-空穴复合几率，进而提升了光催化反应效能。例如，二氧化钛与g-C₃N₄复合，两种材料间形成的有效电子-空穴分离途径，显著提升降解效率。

3.4 长期稳定性与可重复利用性

长期稳定性是评估光催化材料实际应用价值的关键参数，传统光催化材料在长期应用过程中易遭受光腐蚀及结构稳定性下降，其效能将逐步降低。新型光催化材料经掺杂改性及表面修饰处理，显著增强了其抗光腐蚀性能。例如，TiO₂-ZnO复合材料经表面包覆形成一层稳定的防护层，可高效抵御反应生成氧化物对物质造成损害。关于甲醛降解的实验，该样本历经30轮循环利用，降解率持续高于85%，材料未改性后的效能降至60%。

在实践层面，旨在提升光催化材料的使用持久性，需实施多项策略以增强其持久稳定性与抗光老化性能。封装技术是当前较为高效的手段之一，采用在光催化剂表面沉积一层防护性纳米膜的方法，二氧化硅或碳质薄膜，可降低光催化反应中化学环境对材料的损害，保持其高效率。

结论

新型光催化材料的制备技术及其在有机降解中的应用研究，表明了光催化技术在环境污染治理中的巨大潜力。通过溶胶-凝胶法、水热合成等多种制备技术，可显著优化材料性能；而材料在降解效率、光谱响应、电子-空穴分离及稳定性等方面的表现，进一步推动了其在有机污染物治理中的实际应用。未来研究应继续聚焦于材料的低成本制备和规模化应用，为环境保护提供可持续的解决方案。

参考文献

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作者简介：岳晓勰（1992-），女，汉族，本科，河北石家庄人，就职于河北物格工程技术有限公司，研究方向为化工工程。