MOF衍生Bi2O3/多孔碳复合材料光催化处理水体污染物的应用研究
1. 绪论
1.1 水体有机染料污染现状
随着科学的进步，经济的发展，工业化程度也随之越来越高，自然界和自然资源也因此受到了破坏。全球有近十万种有机合成的染料被用于染色市场和纺织工业。每年，这些染料会造成大量的工业废水的流放，这些废水会直接排入大自然界的小溪、河流、湖泊甚至海洋。在二十一世纪初期，世界染料平均年产量就超过了8*105吨，染料的种类更是超过了数百万种。据科学的报导，每生产1吨的染料必须要排放染料的废水多达744吨。有机染料在使用过程会造成损失较多，估计有10%的染料以染料废水的形式会被排放到自然环境中，给水资源环境造成了严重的污染问题。所以，对有机染料废水的排放前对它进行高效地、快速地去除对改善自然环境至关重要[1]。
1.1光催化技术
光催化是指材料通过开始或加快氧化还原的反应，把有机的污染物转变成CO2、H2O等等这类的无机小分子的技术[2]。在一般情况下，光催化是在光照下材料表面能够进行的化学反应。光催化技术是一种成本低、安全并且快速高效的友好环境型的净化的技术，光催化技术作为全球面临严苛的环境污染和能源危机的问题最快速并良好的解决途径之一[3]。
光催化技术是指利用天然太阳能促进无机物和有机物转化为所需要的化合物，而且不会生成内含高毒性和高污染的副产物。能够利用无机金属，有机分子和复合物或者半导体材料吸收太阳光，太阳光能够诱导并产生有着很高的氧化或有着还原作用的产物。在20世纪70年代年之前就有科学家做过了光催化实验，Fujishima和Honda等人率先《Nature》上报道了利用TiO2做电极，作用在紫外光下，电解水后产生氢气和氧气的文章[4]。在这之后，科学家们对光催化技术进行了广泛地研究，特别是光催化分解水制取氢气和在太阳能电池领域中的研究[5]。1939年，Tereni[6] 等人在文章中指出TiO2可以用于染料的光降解，在该文章报道了关于金属氧化物一系列的光催化性质的，例如ZnO3、Sb2O3和TiO2。但是，大多数金属氧化物因为其本身有着带隙较宽的特点，不可以有效地吸收太阳光。因此科学家们去研究不同方式去调节可见光吸收边界来使之对可见光具有良好的响应效应，之后运用在制氢，光催化地降解等领域当中。2007年，Esther [7]等人发现了MOF—5能够降解苯，这个研究指出了金属有机框架化合物是能够有半导体光催化性质的。在这之后，报道发现了g—C3N4在可见光下能够将水分解，因此，光催化剂被涉及的范围逐渐扩大到非金属化合物区间。
1.2光催化机理
光催化是在光照条件下使光催化剂拥有可以氧化还原的能力来降解有机污染物，这是把光能转化为化学能的能动工程，光催化机理如图1所示，当半导体材料受到等于或大于其禁带宽度的光子能量照射后，电子受激发从价带跃迁到导带，价带中留下空穴，导带中留下电子，那么就会产生光生电子一空穴对，经过内电场作用迫使光生电子和光生空穴分离，一部分迁移到半导体材料的表面，这时超氧负离子(·O2-)是由吸附在颗粒材料表面的溶解氧俘获电子而形成，而羟基自由基（·OH）是由空穴将吸附在催化剂表面的OH—和H2O氧化而成[8]，超氧负离子和氢氧自由基具有强氧化性，能把大多数的有机物氧化成二氧化碳和水，对一些无机物也能够彻底地分解，降解净化效果较为彻底，这就是半导体光催化材料的光催化过程机理[9]。
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