光催化氧化的案例
利用近紅外光實現光氧化還原催化過程
【引言】
近年來，光氧化還原催化領域在化學合成、聚合反應以及表面改性等數個方向都取得了引人注目的研究成果。這些反應都要求紫外或者可見光的刺激，然而這類光的輻射存在著難以克服問題。例如，可見光對大部分反應介質的穿透能力低下，阻礙了大尺度反應的進行。此外，反應物還會對光進行競爭性吸收，限制了反應的適用范圍。因此，尋找合適的光源進行更加高效的光催化反應就成為了目前亟待解決的問題。
【成果簡介】
哥倫比亞大學的T. Rovis、L. M. Campos以及哈佛大學的D. N. Congreve（共同通訊作者）等人合作發表文章，報道利用對反應介質具有更高穿透深度的近紅外光成功實現多種光氧化還原轉換。在這類轉換中，基于上轉換光物理過程，研究人員成對操控敏化劑和受體分子，使得在近紅外光輻射下兩個低能量光子能夠轉變成一個高能量光子，從而使得輸出光具有更高的能量和更短的波長。研究人員還進一步發現，受體分子本身可以作為光催化劑，能夠更加簡化反應過程。這些研究成果表明利用低能量的近紅光可以實現并簡化多種高能轉變的催化過程。2019年01月16日，相關成果以題為“Photoredox catalysis using infrared light via triplet fusion upconversion”的文章在線發表在Nature上。
展開 納米二氧化鈦處理印染廢水的研究
3 結 論
(1)普通玻璃負載的納米TiO2：對模擬的工業印染廢水．甲基紅溶液有明顯的光催化降解效果，單位面積負載量在1 mg/cm2以下時，負載量的增加有利于甲基紅溶液光催化脫色率的提高，并解決了納米粉體加入溶液回收難的問題。
(2)通過研究不同光源和光照時間的脫色效率，首次提出了由光源決定的光催化活性激發理論，結合非均相催化反應描述了納米TiO2：光催化氧化甲基紅的過程，解釋了不同光源輻照時脫色率變化曲線不同的問題，發現在納米TiO2：光催化活性被較大程度激發時，脫色反應由吸附過程控制，而納米光催化劑的活性被激發程度如何衡量，還需要進一步研究。
(3)適量加入催化氧化助劑CIO2：或H202：，能夠大大提高納米TiO2：光催化氧化效率，縮短印染廢水處理時間，使得納米TiO：負載與粉體的處理效率相近，為進一步工業化應用奠定了基礎。
展開 中南大學：高性能光催化劑研究重要進展！
近日，國際頂級化學刊物ACS Catalysis(IF=11.38)以封面形式在線發表了中南大學化學化工學院喻桂朋-潘春躍課題組關于高性能光催化劑研究的最新成果：“Visible Light-Driven C-3 Functionalization of Indoles over Conjugated Microporous Polymers”（ACS Catal., 2018, 8, 8084）。其中，中南大學化學化工學院為本文的第一單位，2016級博士生張偉杰為第一作者，喻桂朋副教授和潘春躍教授為共同通訊作者。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.8b01478
3-取代吲哚是染料、農藥和藥物的重要中間體，其中C-3功能化主要途徑如醛基化和硫氰化面臨系列瓶頸問題：1、需要貴重金屬如銅和鐒作為催化劑；2、苛刻的反應條件（如強氧化劑或高溫120度）。而光催化氧化是在外界可見光的作用下發生催化作用，兼具可再生、經濟和環保等優點。因此，開發無金屬、可回收、高效的光催化劑體系來實現C-3功能化，具有重要的學術意義和工業應用價值。
鑒于此，該團隊基于低成本的咔唑單體一步法構筑了三種高比表面積的共軛微孔聚合物功能材料，并成功實現了在可見光驅動下、極溫和條件下（常溫）的吲哚環C-3功能化。這是迄今為止首例利用可見光驅動的、無金屬異相催化吲哚C-3功能化反應的報道。電子給體和受體砌塊的選擇實現了聚合物能級的有效調控，大的比表面積以及獨特的孔結構保證了底物及產物的高效傳質。寬的吸收和優異的穩定性保證了其在催化反應過程較高的光催化活性以及循環穩定性，其催化效果完全與貴金屬催化劑相當。
展開 福州大學: 吸光范圍可達紅光區的碳氮結構光催化劑用于氧化還原催化反應
【引言】
太陽能是可再生、可持續的清潔能源，為了解決全球能源與環境問題，利用太陽能進行光催化反應將反應底物轉化為能源產品已經引起了科研界的廣泛關注。而尋找一系列廉價、穩定和高效的光催化劑成為該研究的關鍵。碳氮聚合結構光催化劑由于制備方法簡單以及擁有合適的帶隙，因此近年來被大量研究（尤其是氮化碳光催化劑）。在太陽光譜中，可見光和近紅外光分別占全光譜的45%和50%。為了更充分地利用太陽光，擴大催化劑的吸光范圍成為當前研究熱點之一，目前主要的方法包括表面等離激元修飾以及摻雜改性半導體等。一般來說，氮化碳聚合物光催化劑只能吸收到可見光區（460 nm左右），遠遠無法滿足對太陽光充分利用的要求。當前，僅有幾篇文章報道了可以將氮化碳聚合物催化劑的吸光范圍擴大到接近紅外區。
【成果簡介】
近日，福州大學能源與環境光催化國家重點實驗室在Angewandte Chemie International Edition上發表最新研究成果“Photochemical Construction of Carbonitride Superstructures for Red-Light Redox Catalysis”。本文通過一種光化學聚合方法制備了具有準二維結構的新型碳氮聚合物催化劑。通過固體核磁和X射線近邊吸收譜證實該催化劑是一種三嗪基聚合物。這種新型碳氮催化劑吸光范圍可以達到735 nm的紅光區，是目前為止所報道的碳氮基催化劑中吸光范圍最寬的。在紅光區，該催化劑可以有效發揮氧化還原催化作用，比如醇的氧化和二氧化碳的還原催化反應。另外，本文也敬賀福州大學化學學院校友吳新濤院士八十大壽。
【圖文導讀】
圖一 光化學方法合成催化劑圖示
UV light光源：125 W高壓汞燈（波長大于280 nm）
圖二 氮化碳基催化劑結構表征
a.
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鑄造生產過程中煙氣凈化處理
我們可以選擇光催化氧化的處理工藝。雖然光催化氧化如今還存在許多的弊端，但是我們也不能全盤否定光催化氧化的處理能力。只要根據每一個工況實際選擇好對應的工藝，達到經濟實用的目的不是不可行的。
生產鑄造煙氣主要來源于以下的工藝環節：
生產鑄造煙氣高爐原料、燃料及輔助原料的運輸、篩分、轉運過程中將產生粉塵；在高爐出鐵時將產生一些有害廢氣，該生產鑄造煙氣主要包括粉塵、一氧化碳、二氧化硫和硫化氫等污染物；高爐煤氣的放散以及鑄鐵機鐵水澆注時產生含塵廢氣和石墨碳的廢氣。隨著人們環保意識的加強，環保標準越來越嚴格。為了降低投資及成本，提高脫硫效率，近年來各國投入了大量人力、物力，研發經濟、高效的實用脫硫新工藝，比較有代表性的新型脫硫技術主要有以下兩種：
(1)生產鑄造煙氣脫硫法：核心是射流沸騰反應器，生產鑄造煙氣以沸騰狀通過漿液，發生反應，省略了再循環泵、霧化噴嘴、氧化槽和濃縮裝置，其投資比石灰石-石膏系統低50％~75％。
(2)脈沖電暈等離子體法：這種方法是靠脈沖高壓電源在普通反應器中形成等離子體，產生高能電子。它可以省去昂貴的電子束加速器，同時具有工藝設備簡單、操作簡便等優點。
展開 福州大學廖賽虎教授課題組：可見光調控有機催化的乙烯基醚陽離子RAFT聚合
乙烯基醚陽離子RAFT聚合的光催化劑發展
目前，鏻鹽類光催化劑的性質和應用較少有人研究，國內左智偉課題組和儲玲玲課題組在2019年合作報道了首個BINAP衍生雙鏻鹽催化的烯烴分子內氫烷氧基化反應（
Sci. Bull.,
2019,
64, 1896），發現該鏻鹽具有很好的光催化氧化活性。實驗表明，BINAP衍生的雙鏻鹽光催化劑（PC-
1，圖2A）在藍光下可以很好地催化乙烯基異丁基醚的陽離子RAFT聚合。但在開-關燈實驗中，與已報道的有機光催化劑類似，并不能對聚合進行嚴格的時間控制。考慮到引入合適的給電子取代基有希望進一步調節催化劑的氧化還原性和穩定性，該課題組設計合成了單甲基和雙甲基取代的雙鏻鹽催化劑（PC-
2 和PC-
3）。研究發現新催化劑不僅具有更強的可見光吸收（? >
10
4
M
-1
cm
-1），同時還具有所期望的與乙烯基醚陽離子RAFT聚合更為匹配的氧化還原電勢（E* = +2.02 V,
E
1/2= -0.69 V vs SCE）（圖2，B & C）。
圖2. 雙膦鹽光催化劑的性質
在聚合中，光催化劑PC-
2和PC-
3表現出了與PC-
1同樣高的催化活性，僅需10-20 ppm的催化劑用量，即可在2個小時內實現乙烯基醚單體的完全和可控的轉化。重要的是，在高催化活性下，還可實現對該陽離子RAFT聚合嚴格意義上的時間控制（圖3）。在開-關燈實驗中，無取代的光催化劑PC-
1隨著轉化率提高，光控會變得越來越差，在高轉化率時可以觀察到明顯的無光照下的背景聚合（圖3A）。
展開 上海師大《Nature Sustainability》：光催化回收貴金屬！
貴金屬（PMs）的光催化溶解
圖2.金屬催化劑中金屬的光催化選擇性溶解
圖3 重金屬離子的還原過程
圖4 貴金屬回收的機理
綜上所述，作者利用光催化氧化的優勢，展示了一個更可持續的過程，其特點是在環境條件下高度選擇性地溶解來自不同廢物源的PMs。電子垃圾和礦石的浸出率高達99%，回收金屬純度高。該方法簡單，更環保，可擴展，適用于廣泛的項目管理系統。這項工作的后續優化可以集中在如何使用水而不是有機溶劑上。目前的溶劑選擇是乙腈和DCM，盡管這是一種避免強酸和的新方法。為了進一步提高其可持續性，作者提出水作為溶劑是最佳選擇。（文：one end）
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展開 三元催化劑催化氧化反應 ￥5000
三元催化劑經過高溫流體的加熱，達到反應溫度，開始催化反應，本例子只計算了催化氧化反應。三元催化劑中的催化氧化反應如下：
反應并不是通過fluent自帶的反應模型計算，而是通過添加源項計算反應。
計算條件如下：
計算得到的三種物質的脫除效率：
監視催化劑（多孔介質）中心點的溫度變化曲線如下：
在前10秒，流體溫度高于固體溫度，流體加熱固體，10秒之后，由于催化氧化反應的發生，催化劑上的溫度急劇增加，固體溫度高于流體溫度，固體加熱流體。
反應穩定時，流體和固體上的溫度分布：
高清視頻：
三元催化劑反應-固體溫度變化：三元催化劑反應-流體溫度變化：三元催化劑反應-CO體積分數：
本例子出售，價格5000元。有意者QQ 103614652
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展開 三元催化劑催化氧化反應
汽車尾氣中含有CO，碳氫化合物等污染物，需要經過三元催化劑氧化成無毒的氣體。三元催化劑為固體，經過高溫流體的加熱，達到反應溫度，開始催化反應。因此，固體和氣體溫度有一定差距。本例子中通過UDS定義固體溫度，計算固體和流體的熱交換，并且通過UDF源項定義了催化氧化反應。
三元催化劑中的催化氧化反應如下：
計算條件如下：
計算得到的三元催化劑中心固體和氣體溫度變化如下：
計算得到的三種污染物的脫除效率：
反應穩定時，流體和固體上的溫度分布：
計算結果視頻如下：
三元催化劑反應-固體溫度變化
三元催化劑反應-流體溫度變化
三元催化劑反應-CO體積分數
展開 │揚州大學工業催化課題組g-C?N?超低負載單原子Co催化環己烷高效氧化
反應結果表明，盡管Co/g-C3N4中單原子Co負載量僅為0.9 wt‰，但對環己烷氧化顯示出了較為優異的催化性能（24%的轉化率和96%的選擇性）。尤其，制備得到的單原子Co具有高的催化穩定性，經十次循環后性能無明顯降低，催化結構也無明顯變化。動力學分析、DFT計算以及自由基捕獲實驗表明，單原子Co上環己烷氧化的活化能顯著降低，這是因為O2解離生成的高活性單原子O物種參與了氧化反應，并導致反應機制由自由基機理向表面催化機理轉變（圖2）。
圖2. （a）g-C3N4和（b）Co/g-C3N4上環己烷氧化反應勢能面（黑實線為最優反應路徑；淺藍色、紅色、灰色、藍色分別代表Co、O、C、N）。右側為環己烷自氧化和單原子Co催化環己烷氧化機理示意圖。
作者簡介
袁恩先
，揚州大學化學化工學院，講師，研究方向：1. 飽和烷烴氧化非貴金屬催化劑開發；2. 2,3-丁二醇選擇性脫氫高穩定性Cu基催化劑的制備及反應機理研究；3. 芳香性羰基化合物（蒽醌、糠醛）高效加氫Pd基催化劑的制備及反應機理研究。
展開 收藏|史上最全焦化行業VOCs治理技術與建議
(2)冷鼓、脫硫工段
對于含焦油、洗油、萘、氨、硫化氫等物質的尾氣，根據氣體濃度低、風量大的特點，選用堿性洗滌塔+酸洗洗滌塔+UV光催化氧化+納米催化活性炭吸附技術處理;
①兩部分工段的混合廢氣中含有酸類物質(硫化氫)、堿類物質(氨氣)及揮發性有機物(非甲烷總烴)，為了保證尾氣達標排放，同時也為了節約再生處理能源，采用了化學洗滌法中的洗滌塔堿液和酸液兩級氧化吸收法。對排氣中的酸性硫、堿性氨、粘性大及熔點高的大分子有機物部分有機物進行回收處理，通過測定吸收液的pH值對自動加藥系統進行控制，保證吸收處理的效果。定期打撈洗滌塔水性中的焦油浮層，保持水體質量，延長循環水使用周期。
②難降解的有機物經過光催化氧化凈化設備進行處理后的尾氣達到排放標準，其中凈化設備包括前端除濕裝置+高能離子管+高能紫外燈光催化氧化裝置+納米催化活性炭裝置。
③設備示意圖如下所示:
(3)污水池面加蓋設計
玻璃鋼弧形蓋板(如下圖所示)的弧形起拱，中間無需支撐結構，底邊通過緊固件與池壁或鋼結構固定。
FRP復合材料是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。具有質輕而硬，不導電，機械強度高，耐腐蝕等特性。
(4)污水池
根據焦化行業污水池廢氣濃度低、風量大、臭氣濃度高的特點，選用******技術處理;
①難降解的有機物經過廢氣凈化除臭設備進行處理后的尾氣達到排放標準，其中凈化設備包括一級噴淋洗滌塔+除濕裝置+高能紫外燈光催化氧化裝置+納米催化活性炭裝置。
②洗滌塔主要是去除廢氣中可溶性的有機廢氣，達到除臭的目的。
③光催化氧化是基于光催化劑TiO2在高能紫外燈照射下具有的氧化還原能力而凈化污染物。
展開 
抑制Cu2O光催化和光電催化腐蝕的研究進展
【引言】
自從1972年Fujishima和Honda發表了TiO2作為光催化劑的重大突破以來，光催化吸引了學者們的注意并投入大量的精力探索除二氧化鈦以外的光催化劑。其中，作為一種可見光相應的半導體，Cu2O在近年來被廣泛應用于光催化和光電催化體系中。 然而，Cu2O嚴重的光腐蝕問題限制了它的廣泛應用。因此，大量研究投入到提高其光穩定性中，特別是集中于將光致載流子從Cu2O中快速轉移到反應物或者共催化劑中，以避免載流子在顆粒中的堆積。
【成果簡介】
近日，澳大利亞新南威爾士大學Rose Amal 教授研究團隊在J. Photochem. Photobiol., C.上發表了題為“Recent Advances in Suppressing the Photocorrosion of Cuprous Oxide for Photocatalytic and Photoelectrochemical Energy Conversion”的綜述文章。本文從Cu2O的材料本質屬性及電荷動力學出發，總結了抑制其光腐蝕性的最新研究進展。作者根據不同的抑制手段進行分類，闡述了各種方法的機理及應用。最后，作者總結并對未來進一步提高Cu2O光穩定性的研究提出了展望。
【圖文導讀】
增強Cu2O光催化穩定性的研究表明，最常見的方法包括：1）晶面調控（形貌控制），2）粒徑控制，3）反應條件的調控和4）與其他材料形成異質結。
展開 十種先進工業廢水處理技術
而且，當電離輻射與氧氣、臭氧等催化氧化手段聯合使用時，會產生“協同效應”。因此，輻射技術處理污染物是一種清潔的、可持續利用的技術，被國際原子能機構列為21世紀和平利用原子能的主要研究方向。
9.光化學催化氧化
光化學催化氧化技術是在光化學氧化的基礎上發展起來的，與光化學法相比，有更強的氧化能力，可使有機污染物更徹底地降解。光化學催化氧化是在有催化劑的條件下的光化學降解，氧化劑在光的輻射下產生氧化能力較強的自由基。
催化劑有TiO2、ZnO、WO3、CdS、ZnS、SnO2和Fe3O4等。分為均相和非均相兩種類型，均相光催化降解是以Fe2+或Fe3+及H2O2為介質，通過光助-Fenton反應產生羥基自由基使污染物得到降解；非均相催化降解是在污染體系中投入一定量的光敏半導體材料，如TiO2、ZnO等，同時結合光輻射，使光敏半導體在光的照射下激發產生電子—空穴對，吸附在半導體上的溶解氧、水分子等與電子—空穴作用，產生˙OH等氧化能力極強的自由基。TiO2光催化氧化技術在氧化降解水中有機污染物，特別是難降解有機污染物時有明顯的優勢。
10.超臨界水氧化（scwo）技術
SCWO是以超臨界水為介質，均相氧化分解有機物。可以在短時間內將有機污染物分解為CO2、H2O等無機小分子，而硫、磷和氮原子分別轉化成硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸根和亞硝酸根離子或氮氣。美國把SCWO法列為能源與環境領域最有前途的廢物處理技術。
展開 二維MXenes及其納米復合材料的表面與異質表面工程-電催化與光催化研究
MXene復合體系HER研究
在電催化方面，研究表明不同官能團對于MXene電催化性能有著十分顯著的影響，其課題組通過實驗和理論兩方面進行驗證發現表面覆蓋氟官能團的MXene材料對于產氫催化有著積極地影響。在實驗上，Mo2C是一種最為常見的電催化MXene材料，諸如Mo2C/2D-NPCs、氮摻雜的Mo2C[8]納米片都表現出了很好的電催化性能。
2.3 MXene在CO2RR催化方面的研究
圖8. MXene在
CO2
RR方面的理論研究
李能教授課題組從新型二維材料MXene 的表界面結構的結構計算設計出發、深入研究CO2捕獲與光催化還原的電子輸運物理機制，提出實現新型的高效光催化還原CO2材料體系的策略；研究了在酸性條件下，MXene-Tx(T=OH)中的羥基還原成H2O 的電化學機理，從理論上證明了形成干凈的MXene 表面的可行性。同時，武漢理工大學余家國課題組合成了2D/2D超薄Ti3C2/Bi2WO6異質結納米復合材料，發現其在CO2RR方面催化性能有有明顯的提升。
2.4. MXene在N2RR及其他環境催化方面的研究
李能教授及其合作者，運用第一性原理計算，證實了MXene 能作為良好的催化還原N2為人工合成氨的載體；同時在有機污染物降解方面，解修強等人合成了Ti3C2/CdS 2D/2D復合材料，Ti3C2Tx助催化劑不僅用為電子介體增強對CdS中電子的提取，也抑制了空穴的光腐蝕作用，使得電子的壽命得到了提升。
展開 收藏｜史上最全焦化行業VOCs治理技術與建議
(2)冷鼓、脫硫工段
對于含焦油、洗油、萘、氨、硫化氫等物質的尾氣，根據氣體濃度低、風量大的特點，選用堿性洗滌塔+酸洗洗滌塔+UV光催化氧化+納米催化活性炭吸附技術處理;
①兩部分工段的混合廢氣中含有酸類物質(硫化氫)、堿類物質(氨氣)及揮發性有機物(非甲烷總烴)，為了保證尾氣達標排放，同時也為了節約再生處理能源，采用了化學洗滌法中的洗滌塔堿液和酸液兩級氧化吸收法。
對排氣中的酸性硫、堿性氨、粘性大及熔點高的大分子有機物部分有機物進行回收處理，通過測定吸收液的pH值對自動加藥系統進行控制，保證吸收處理的效果。
定期打撈洗滌塔水性中的焦油浮層，保持水體質量，延長循環水使用周期。
②難降解的有機物經過光催化氧化凈化設備進行處理后的尾氣達到排放標準，其中凈化設備包括前端除濕裝置+高能離子管+高能紫外燈光催化氧化裝置+納米催化活性炭裝置。
③設備示意圖如下所示：
(3)污水池面加蓋設計
玻璃鋼弧形蓋板(如下圖所示)的弧形起拱，中間無需支撐結構，底邊通過緊固件與池壁或鋼結構固定。
FRP復合材料是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。
具有質輕而硬，不導電，機械強度高，耐腐蝕等特性。
(4)污水池
根據焦化行業污水池廢氣濃度低、風量大、臭氣濃度高的特點，選用******技術處理;
①難降解的有機物經過廢氣凈化除臭設備進行處理后的尾氣達到排放標準，其中凈化設備包括一級噴淋洗滌塔+除濕裝置+高能紫外燈光催化氧化裝置+納米催化活性炭裝置。
②洗滌塔主要是去除廢氣中可溶性的有機廢氣，達到除臭的目的。
③光催化氧化是基于光催化劑TiO2在高能紫外燈照射下具有的氧化還原能力而凈化污染物。
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