石墨相氮化碳（g-C3N4）催化臭氧-可見光耦合處理

 　　高級氧化技術是高效去除廢水中有機污染物的重要技術手段，主要利用過程產生強氧化性羥基自由基(•OH)無選擇性深度礦化有機物。高級氧化技術包括芬頓氧化、臭氧氧化、光催化、濕式氧化、電化學氧化等，其中催化臭氧氧化技術已在鋼鐵、煤化工行業廢水深度處理實現工業應用。通過與光催化、芬頓氧化、過硫酸鹽氧化，可進一步提高臭氧氧化過程的降解效率。

　　環境技術與工程研究部謝勇冰副研究員研究小組前期發現石墨相氮化碳(g-C3N4)催化臭氧-可見光過程具有很強的耦合氧化效應，并揭示了g-C3N4高導帶位置對催化性能的重要影響。近期對比一系列碳材料和半導體材料在臭氧、光催化、臭氧-可見光耦合過程的催化活性，驗證了臭氧氧化過程中兩種不同•OH氧化路徑，發現g-C3N4高價帶位置有利于臭氧與空穴競爭捕獲光生電子(Carbon, 2016, 107, 658-666)。通過與德國萊布尼茲催化所合作，利用原位電子自旋共振譜定量表征g-C3N4催化臭氧-可見光耦合過程，發現通入臭氧后，電子還原氧氣形成超氧自由基(•O2−)進而產生過氧化氫(H2O2)路徑改變為超氧自由基(•O2−)與臭氧分子反應產臭氧負離子自由基(•O3−)，另外臭氧也易被光生電子快速還原為•O3−，進而提高•OH產率和污染物降解效率(ACS Catalysis, 2017, 7, 6198−6206)。

　　此外，g-C3N4廣泛應用于光催化相關過程，但其化學結構穩定性尚無報道。研究發現，g-C3N4對光催化產生的•O2−氧化穩定，但會被臭氧-可見光過程產生的•OH緩慢氧化成氰白尿酸，最終氧化為硝酸根和二氧化碳。但在處理有機廢水時，•OH會優先降解大部分有機污染物，因而維持了g-C3N4化學結構穩定(Environmental Science & Technology, 2017, 10.1021/acs.est.7b04215)。

　　該研究得到國家杰出青年基金(51425405)、北京市面上基金(8172043)和中科院-德意志學術交流中心合作項目(91637735)支持。

　　圖1 g-C3N4催化臭氧-可見光過程的自由基衍變

　　圖2 g-C3N4緩慢氧化過程示意圖