受熱自轉(zhuǎn)變技術(shù)構(gòu)建Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元高效異質(zhì)結(jié)光催化劑及其對典型有機污染廢水的高效處理工藝研究

458 編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng) 來源：江西理工大學(xué)

2024-08-15 17:07:22

成果簡介：

近年來，半導(dǎo)體光催化已經(jīng)被認為是一種有希望且綠色化學(xué)技術(shù)，通過使用太陽光能渴望解決日益環(huán)境污染危機。它能將水體有機污染物氧化分解，并礦化成CO2和H2O等對環(huán)境無二次危害的無機小分子，具有低能耗、無二次污染、能進行深度處理等優(yōu)勢。

本項目瞄準世界科技前沿，解決光催化新型材料在光催化反應(yīng)的量子效率的前沿科學(xué)問題，引領(lǐng)和支撐國家重大水體污染治理科技需求，為光催化技術(shù)在太陽能轉(zhuǎn)換，及環(huán)境處理的大規(guī)模應(yīng)用和推廣提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。項目擬采用微波水熱合成前聚體并結(jié)合非常規(guī)受熱自轉(zhuǎn)變法合成Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元體系高效異質(zhì)結(jié)光催化體系，進行光催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能構(gòu)效關(guān)系的系統(tǒng)性研究，制備異質(zhì)結(jié)層狀光催化劑的光催化性能高于普通的光催化劑，有較寬的光譜效應(yīng)范圍，高可見光及太陽光利用效率，并有很好穩(wěn)定性能夠循環(huán)利用，具有良好的商業(yè)應(yīng)用前景。

應(yīng)用案例：

通過受熱自轉(zhuǎn)變制備具有高活性和寬光譜響應(yīng)、高穩(wěn)定性和高量子效率的新型光催化材料。通過對Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元高效光催化體系的研究，利用光催化將有機污染物氧化分解，并礦化成CO2和H2O 等對環(huán)境無二次危害的無機小分子，達到解決環(huán)境污染的目的。制備多級異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化劑，其活性有望在太陽光譜區(qū)達到或超過當(dāng)今最優(yōu)越的商業(yè)化催化劑- Degussa P25，并且有很好的回收再利用性能，有望顯著降低催化劑的使用成本。

研發(fā)背景

自1972年以來，發(fā)現(xiàn)二氧化鈦光解水產(chǎn)氫以來，半導(dǎo)體光催化技術(shù)被認為是人類最有潛力的環(huán)境治理和清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。它通過使用太陽光能來解決環(huán)境危機，如污染物的降解。它能將有機污染物氧化分解礦化成CO2和H2O等對環(huán)境無二次危害的無機小分子，具有低能耗、無二次污染、降解范圍廣等優(yōu)勢受到廣泛的關(guān)注。

但事實是，光催化經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，仍難以實現(xiàn)污水處理和太陽能轉(zhuǎn)換的大規(guī)模運用，面臨著光響應(yīng)范圍窄、量子效率低、穩(wěn)定性差等問題。如ZnO在水中不穩(wěn)定，會在粒子表面生成Zn(OH)2，發(fā)生光腐蝕。目前常用的半導(dǎo)體只能吸收波長小于387 nm的紫外輻射，因此其吸收光譜只占太陽光譜中很小的一部分(不足5%)，對太陽能的利用率較低，并且激發(fā)產(chǎn)生的電子與空穴分離難、復(fù)合率高，從而使光量子效率低。光催化反應(yīng)量子效率低是光催化劑無法實際運用的根本原因。量子效率低是由于絕大部分吸收的光能由于光生電子和空穴的復(fù)合而以熱能形式被耗掉。而且常規(guī)超細納米粉體懸浮反應(yīng)體系，容易發(fā)生催化劑漿化，難以沉降分離和循環(huán)使用。如何創(chuàng)新光催化劑的制備和構(gòu)效理論體系，研發(fā)寬光譜響應(yīng)、高活性、高穩(wěn)定性的光催化劑是迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

本項目著力于解決以上量子效率低關(guān)鍵科學(xué)問題，以促進光生電子和空穴定向轉(zhuǎn)移和提高光催化反應(yīng)量子效率為主線，通過相變異質(zhì)結(jié)的設(shè)計，力圖解決電子和空穴定向分離的快慢問題，有效調(diào)控催化劑制備的新方法和新工藝。項目研究實現(xiàn)以往碳酸鹽/貴金屬氧化物相變異質(zhì)結(jié)調(diào)控的延伸和拓展至一般的過渡金屬釩酸鹽并且降低催化劑的使用成本，大幅提升光催化反應(yīng)量子效率，深化光催化劑的制備方法，為推動光催化科學(xué)發(fā)展、實現(xiàn)光催化技術(shù)在污水處理的大規(guī)模運用和重大需求，提供了重要理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

作用原理項目組以往研究發(fā)現(xiàn)了以熱力學(xué)和相變動力學(xué)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體相變成異質(zhì)相結(jié)的機制和晶相界面對光生電子(e-)和空穴(h+)的調(diào)控規(guī)律，依此原理構(gòu)建了系列高活性、高穩(wěn)定性的表面異質(zhì)相結(jié)光催化劑(2016年江西省自然科學(xué)一等獎項目科學(xué)發(fā)現(xiàn)點之一)。

市場分析

市場前景

光催化氧化法應(yīng)用于污水深度處理有許多優(yōu)勢。反應(yīng)條件溫和，常溫常壓下即可進行;水中所含多種有機污染物均可被完全降解為二氧化碳、水等, 無機污染物被氧化或還原為無害物;無需添加任何氧化劑，如臭氧、雙氧水等化學(xué)藥劑，避免了進一步的化學(xué)污染，并降低了成本;合適的光催化劑具有廉價、無毒、穩(wěn)定及可以重復(fù)使用等優(yōu)點; 可以利用取之不盡、用之不竭的太陽能作為光源激活光催化劑;該法結(jié)構(gòu)簡單、操作條件容易控制、氧化能力強、無二次污染。適用性廣，是一種廣譜水處理方法，對含有有機物、無機物和細菌的污染水均有良好處理效果。光催化氧化技術(shù)與生物處理方法和膜技術(shù)等聯(lián)用，已經(jīng)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

競爭分析、用戶吸引力分析

在后段水的深度處理，項目組直接在1噸水加入5克相變異質(zhì)相結(jié)Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元高效廉價的釩酸鋅光催化劑，在人造太陽光或太陽光下，通過攪拌或鼓風(fēng)，即可以達到深度處理，處理COD由國家排放標準100降到40以下，色度由國家排放標準80到小于 30。印染廢水處理成本為3-8元/噸。目前德國產(chǎn)P25-TiO2大概 1公斤600元，而項目組通過受熱自轉(zhuǎn)變方法合成的三元高效異質(zhì)結(jié)可見光催化劑大概價格450左右，能夠顯著降低工業(yè)催化劑的使用成本。

和傳統(tǒng)方法相比它具有以下優(yōu)勢：

①低能耗：在有太陽光的情況下，能耗是非常低，僅需正常攪拌的功率能耗。而在沒有太陽光的情況下僅需要低功率的光照，能耗相比于傳統(tǒng)的廢水處理方法，如電化學(xué)法的50%。

②效率高：傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)耗時長，效率低。

③無二次污染：無需添加任何氧化劑，能夠完全降解礦化。

聲明：

“受熱自轉(zhuǎn)變技術(shù)構(gòu)建Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元高效異質(zhì)結(jié)光催化劑及其對典型有機污染廢水的高效處理工藝研究” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。

我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)