新型微波辅助光催化剂的可控制备及性能研究

20250123

科学研究和技术服务业

采用水热-煅烧两步法制备的ZnO展现出优异的催化性能，其在微波协同光催化下对TC的降解速率分别是单独的微波和单独的光的5.04倍和4.27倍。在不同反应体系下TC的降解效果对比实验中发现，与单独的微波（MW-ZnO）和单独的光（L-ZnO）相比，微波协同光催化（MW-L-ZnO）下的降解效率得到了显著提升，95%的TC在10 min内可被降解，在30 min内可实现TC的完全降解，进一步证明了催化剂与微波和光的耦合机制促进了TC的加速降解。项目开展的成果目前处于实验室阶段。

本项目的催化材料ZnO采用水热-煅烧两步法合成，拟合作方在资金方面，初步启动资金需准备100万以上。同时，拟合作方应具备完善的水热以及高温煅烧的条件，除此以外，应具备较完善的厂房设施，厂房初步的建筑面积应在1000-2000平方米，具有足够的储备抗生素污染水源的区域。拟合作方应具备完善的微波发生装置，工作人员应具备材料合成背景，同时了解微波降解及光催化机制。在催化剂合成-微波源控制-光催化模块-污水注入-质量检查-合格排出，整套流程中需要每个环节安排4-6名专职人员。

可国（境）内外转让

污水处理成本因多种因素而异，通常在每立方米1-5元之间??。而抗生素制药废水的处理成本一般较高，在200-500元/吨。1000-2000平方米的厂房预计日处理污水的能力为100吨，日产出额在2-5万之间，该过程可带动北京周围的就业，同时可对抗生素污染的水源进行处理，将达标的水体再排放到指定流域，同时促进可持续发展，践行“绿水青山就是金山银山”的理念。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

在本项目的支持下，开展了氧化锌的晶体结构、化学组成和形貌的研究，并深入探究其对氧化锌微波吸收性能和光催化性能的影响规律，建立了氧化锌结构、成分与性能之间的关联，结合计算和实验测试来揭示微波辅助光催化的作用机制，并阐述微波辅助光催化降解抗生素的作用机理，为此新型催化剂和新技术的开发提供理论依据。同时拓展了其他种类催化剂，具体成果如下： （1）氧化锌的制备、晶体结构、化学成分、形貌调控及表征 通过水热合成和煅烧工艺制备了自组装介孔ZnO微球。采用XRD对ZnO的物相成分进行分析。利用Rietveld晶体结构对ZnO的XRD进一步细化。通过N2吸附-脱附等温线测试和BJH方法计算得到了ZnO比表面积和平均孔径。采用XPS分析进一步确认了ZnO中Zn和O的存在形式。并通过掺杂等手段，进一步调控了ZnO的成分及结构。 （2）氧化锌光催化性能和微波吸收性能的研究 通过反射吸收率来测定ZnO催化剂的反射损耗，探究反射损耗对材料吸收微波能的影响，评价催化剂的微波吸收性能。通过化学元素分析和EPR来检测体系反应前后ZnO晶体结构中氧空位的变化，对比反应前后的吸附氧与晶格氧的比例变化，探究微波辅助光催化影响催化剂的内在机理。利用光电化学测试，检测ZnO催化剂的光吸收范围、禁带宽度以及电荷分离效率，探究光生电荷的迁移以及光生电子空穴的分离效率对光催化性能的影响，并阐明微波可诱导光催化剂ZnO晶体结构的变化与催化剂光催化活性之间的内在联系。 （3）微波辅助增强光催化性能的作用机制 采用反射吸收率评价了ZnO的微波总损耗，研究其与电导损耗、磁损耗的关系，优化两种损耗的匹配，实现微波总损耗最大化。通过ZnO形貌、晶体结构和化学成分的调控，探究在微波作用下不同结构ZnO的光吸收、导价带位置、禁带宽度、电荷分离效率、载流子浓度、电子传输途径、电子自旋磁矩、固有电偶极矩和磁畴结构，从而优化其光催化活性。揭示了微波协同光催化的作用机制。 （4）氧化锌微波协同光催化降解四环素的工艺条件研究 以ZnO用量、模拟污水初始浓度、不同辐射条件、光功率以及微波功率等工艺参数对四环素降解性能的影响，优化工艺条件，实现了四环素的高效降解。考察不同形貌、结构成分对氧化锌降解的影响规律，获得进一步优化的工艺条件。 （5）氧化锌微波协同光催化降解四环素的机理研究 通过对比反应前后的ZnO的物相、形貌、化学成分和可重复使用性，并通过半原位光电化学测试对体系反应前后进行光电性能分析，明确氧化锌在反应中起到的作用。通过分析不同降解时间体系中的剩余产物，找到四环素的降解途径，并测试不同时间体系中剩余四环素的浓度，拟合得到四环素降解的动力学方程。通过加入羟基自由基、超氧自由基、空穴、电子等不同的自由基捕获剂，并联合电子顺磁共振来研究微波吸收对体系中自由基浓度和种类的影响规律，揭示了氧化锌微波辅助光催化降解四环素的机理。 （6）其他氧化物微波及协同其他催化降解有机污染物的研究 通过研究发现，微波辅助其他氧化物并协同其他催化降解方式可有效去除水体中的污染物，在ZnO催化剂的基础上，拓展了其他氧化物催化剂，开展了Co3O4在微波条件下及微波协同高级氧化催化降解抗生素的研究，发现Co3O4催化剂在微波及微波协同高级氧化催化条件下对四环素及环丙沙星抗生素均有优异的降解效果。同时探究了尖晶石结构的Fe3O4在微波协同芬顿催化条件下对有机染料的降解研究，提出了晶体化学组成调节对于开发用于协同反应的高效催化剂的重要性。 所开发的微波协同光催化材料和技术有望应用于北京市抗生素污染水的治理，项目的实施有望改善北京市的水质，改善民生，提高人民的生活质量，具有较大的潜在社会和环境效益，可进一步践行“绿水青山就是青山银山”的理念。