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上海硅酸鹽所在光催化制備活性氯物種研究中取得系列進展
發布時間: 2021-06-21 16:07 | 【 【打印】【關閉】

  氯氣(Cl2)作為重要的基礎化工原料,被大量應用于聚氯乙烯(PVC)、消毒劑的生產,污水處理及自來水消毒等,其產量常被看作是一個國家工業發展水平的重要標志。當前工業上一般通過電解食鹽水生產Cl2,該方法存在金屬電極成本昂貴、電量能耗過大等不足。因此,探索低能耗且無需貴金屬的Cl2生產方法具有重要意義。

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所能源和環境催化材料課題組開發了一種光催化制備Cl2的方法,即利用光作為輸入能源,以BiOCl為光催化劑,在模擬海水中實現氯離子氧化為Cl2,從而為Cl2的綠色高效生產開辟了一條新途徑。該方法在氯介導的甲烷轉化、消毒水生產以及氨氮廢水的脫氮處理中展現出應用潛力。相關成果以“Efficient photocatalytic chlorine production on bismuth oxychloride in chloride solution”、“An efficient strategy for selective oxidation of ammonia nitrogen into N2 over BiOCl photocatalyst”為題發表在期刊Applied Catalysis B: Environmental上(Appl. Catal. B: Environ. 2021, 297, 120436; Appl. Catal. B: Environ. 2021, 294, 120265),并申請發明專利兩項,論文第一作者分別為上海硅酸鹽所在讀博士生王海鵬和周沅逸,指導教師為張玲副研究員和王文中研究員。

  研究團隊發現,BiOCl合適的能帶結構是光催化Cl2生成反應的熱力學基礎;其獨特的層狀開放結構則有利于氯離子在(110)面上的快速脫出和插入,進而通過晶格氯介導的自氧化路徑保證了Cl2持續高效生成。與此同時,O2吸附在氧空位上不僅作為電子犧牲劑促進載流子分離,而且能夠通過調節活性位點的電子結構增強反應活性。為了驗證該反應的應用潛力,研究團隊構建了光催化氯介導的甲烷轉化體系,實現了溫和條件下甲烷到氯代甲烷和乙醚的轉化。此外,研究團隊還證明BiOCl和BiOBr可實現溴離子和碘離子到其單質的光催化轉化。此工作為活性鹵的生成和應用提供了新的思路。

  此外,研究團隊還對BiOCl體系在氨氮廢水脫氮處理方面的應用進行了研究,發現該體系中活性氯的生成遵從Mars-van Krevelen機制,并且能夠在近中性及有氧條件下實現氨氮的光驅動選擇性氧化,氮氣選擇性達到97%以上。該體系能夠通過氧循環和氯循環直接利用廢水中大量存在的氯離子,對于各類型廢水的深度脫氮處理展現出廣闊的前景。同時,研究團隊還建立了材料自氧化還原特性與Mars-van Krevelen機制之間的關聯,對于深入挖掘光催化材料的構效關系具有一定的指導意義和借鑒價值。

  以上研究工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。

  文章鏈接:

  https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120436

  https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120265

圖1. 光催化氯氣生成的性能測試

圖2. 光催化脫氮的催化機制

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