成果简介：
近年来，半导体光催化已经被认为是一种有希望且绿色化学技术，通过使用太阳光能渴望解决日益环境污染危机。它能将水体有机污染物氧化分解，并矿化成CO2和H2O等对环境无二次危害的无机小分子，具有低能耗、无二次污染、能进行深度处理等优势。
本项目瞄准世界科技前沿，解决光催化新型材料在光催化反应的量子效率的前沿科学问题，引领和支撑国家重大水体污染治理科技需求，为光催化技术在太阳能转换，及环境处理的大规模应用和推广提供理论和技术指导。项目拟采用微波水热合成前聚体并结合非常规受热自转变法合成Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元体系高效异质结光催化体系，进行光催化剂结构设计和性能构效关系的系统性研究，制备异质结层状光催化剂的光催化性能高于普通的光催化剂，有较宽的光谱效应范围，高可见光及太阳光利用效率，并有很好稳定性能够循环利用，具有良好的商业应用前景。
应用案例：
通过受热自转变制备具有高活性和宽光谱响应、高稳定性和高量子效率的新型光催化材料。通过对Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元高效光催化体系的研究，利用光催化将有机污染物氧化分解，并矿化成CO2和H2O 等对环境无二次危害的无机小分子，达到解决环境污染的目的。制备多级异质结构光催化剂，其活性有望在太阳光谱区达到或超过当今最优越的商业化催化剂- Degussa P25，并且有很好的回收再利用性能，有望显著降低催化剂的使用成本。
研发背景
自1972年以来，发现二氧化钛光解水产氢以来，半导体光催化技术被认为是人类最有潜力的环境治理和清洁能源转换技术。它通过使用太阳光能来解决环境危机，如污染物的降解。它能将有机污染物氧化分解矿化成CO2和H2O等对环境无二次危害的无机小分子，具有低能耗、无二次污染、降解范围广等优势受到广泛的关注。
但事实是，光催化经历了数十年的发展，仍难以实现
污水处理和太阳能转换的大规模运用，面临着光响应范围窄、量子效率低、稳定性差等问题。如ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)2，发生光腐蚀。目前常用的半导体只能吸收波长小于387 nm的紫外辐射，因此其吸收光谱只占太阳光谱中很小的一部分(不足5%)，对太阳能的利用率较低，并且激发产生的电子与空穴分离难、复合率高，从而使光量子效率低。光催化反应量子效率低是光催化剂无法实际运用的根本原因。量子效率低是由于绝大部分吸收的光能由于光生电子和空穴的复合而以热能形式被耗掉。而且常规超细纳米粉体悬浮反应体系，容易发生催化剂浆化，难以沉降分离和循环使用。如何创新光催化剂的制备和构效理论体系，研发宽光谱响应、高活性、高稳定性的光催化剂是迫切需要解决的关键科学问题。
本项目着力于解决以上量子效率低关键科学问题，以促进光生电子和空穴定向转移和提高光催化反应量子效率为主线，通过相变异质结的设计，力图解决电子和空穴定向分离的快慢问题，有效调控催化剂制备的新方法和新工艺。项目研究实现以往碳酸盐/贵金属氧化物相变异质结调控的延伸和拓展至一般的过渡金属钒酸盐并且降低催化剂的使用成本，大幅提升光催化反应量子效率，深化光催化剂的制备方法，为推动光催化科学发展、实现光催化技术在污水处理的大规模运用和重大需求，提供了重要理论指导和技术支撑。
作用原理 项目组以往研究发现了以热力学和相变动力学为基础的半导体相变成异质相结的机制和晶相界面对光生电子(e-)和空穴(h+)的调控规律，依此原理构建了系列高活性、高稳定性的表面异质相结光催化剂(2016年江西省自然科学一等奖项目科学发现点之一)。
市场分析
市场前景
光催化氧化法应用于污水深度处理有许多优势。反应条件温和，常温常压下即可进行;水中所含多种有机污染物均可被完全降解为二氧化碳、水等, 无机污染物被氧化或还原为无害物;无需添加任何氧化剂，如臭氧、双氧水等化学药剂，避免了进一步的化学污染，并降低了成本;合适的光催化剂具有廉价、无毒、稳定及可以重复使用等优点; 可以利用取之不尽、用之不竭的太阳能作为光源激活光催化剂;该法结构简单、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染。适用性广，是一种广谱水处理方法，对含有有机物、无机物和细菌的污染水均有良好处理效果。光催化氧化技术与生物处理方法和膜技术等联用，已经展现出广阔的应用前景。
竞争分析、用户吸引力分析
在后段水的深度处理，项目组直接在1吨水加入5克相变异质相结Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元高效廉价的钒酸锌光催化剂，在人造太阳光或太阳光下，通过搅拌或鼓风，即可以达到深度处理，处理COD由国家排放标准100降到40以下，色度由国家排放标准80到小于 30。印染废水处理成本为3-8元/吨。目前德国产P25-TiO2大概 1公斤600元，而项目组通过受热自转变方法合成的三元高效异质结可见光催化剂大概价格450左右，能够显著降低工业催化剂的使用成本。
和传统方法相比它具有以下优势：
①低能耗：在有太阳光的情况下，能耗是非常低，仅需正常搅拌的功率能耗。而在没有太阳光的情况下仅需要低功率的光照，能耗相比于传统的废水处理方法，如
电化学法的50%。
②效率高：传统的污水处理技术耗时长，效率低。
③无二次污染：无需添加任何氧化剂，能够完全降解矿化。
声明：
“受热自转变技术构建Zn3(VO4)2/Zn2V2O7/ZnO三元高效异质结光催化剂及其对典型有机污染废水的高效处理工艺研究” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：江西理工大学
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2024年08月19日 ~ 21日 
