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光催化“记忆”效应的发现

黑暗无光条件下光催化“记忆”效应被发现,利用太阳光能昼夜连续杀菌净水成为可能。记者从沈阳金属研究所了解到,沈阳材料科学国家(联合)实验室尚建库研究员领导的研究组与美国伊利大学合作研制新型除微生物净水材料获得成功,引起了包括英国皇家化学会、麻省理工学院等70多家国际科研及新闻单位的广泛关注。

自然水体中存在各种大量有害微生物等,对人类健康构成重大的威胁。据世界卫生组织估计,全球每年有大约500万人死于不洁净水传播的疾病。目前,在水处理过程中主要的消毒措施依赖于各种化学消毒剂,特别水氯被广泛应用。但是,游离氯可以与水中的多种物质反应,生成毒性更大的消毒副产品,对人类健康构成更严重的影响。

光催化过程通过产生具有很高反应活性的氢氧自由基活性基团,能够氧化水中的有机污染物、杀灭有害微生物、分解各种可能存在的消毒副产品前躯体,有可能成为替代氯处理的一种新型水处理消毒方法。

近年来,非金属掺杂二氧化钛的研究引起了研究人员的广泛注意,成为光催化领域的新兴研究方向。它可以由可见光激发,使光催化过程能够不再必须依赖于紫外光源,能够提高太阳光照的吸收效率,降低使用成本。但是,由于非金属掺杂在可见光照射下的光催化效率往往比较低。而且,一旦失去光照,其光催化能力将迅速丧失。因此,难以仅利用太阳光能保持对水体产生持续的消毒作用,无法解决有害微生物在失去光照之后可能的重新出现。

如果这种材料能够通过一种“记忆”效应储存其在光照条件下的部分反应活性,在光照熄灭之后仍能在一定时间范围内保持这种杀菌能力,那么将大大拓宽光催化的应用范围,使用利用太阳光能昼夜连续杀菌成为可能。尚建库研究员及其研究组在氮掺杂二氧化钛光催化材料体系中引入微量氧化钯钠米颗粒的加入有效控制了半导体表面光电子的传输,大幅度提高了可见光光照下的光催化杀菌效率。当可见光照熄灭之后,被限制在氧化钯纳米颗粒上的电子开始释放,可以回到半导体表面或者直接与水中的氧气反应,生成活性基团,产生对光催化杀菌的“记忆”效应,从而能够在黑暗中也具有明显的杀菌能力,而且这种能力能够保持接近20小时,利用太阳光能昼夜连续杀菌成为可能,有望大幅度降低净水能耗。