打破砂鍋問到底系列D之卅三：機理設計比較靠譜的石墨烯光催化網

來自專欄弄懂石墨烯 其實並不難2 人贊了文章

2018-05-25

新材料由三維石墨烯管和黑色二氧化鈦混合而成，其原理是「物理吸附+光化學催化降解」。三維石墨烯管負責牢牢「抓住」有毒有機物，黑色二氧化鈦作為光催化劑，可吸收高達 95% 的全太陽光譜，把有毒有機物降解為二氧化碳和水。https://mp.weixin.qq.com/s/OlkHvsW1rF9fPRx4QybvZw。這比起江陰的石墨烯光催化網所提到的機理設計，黃富強老師的方式還是靠譜得多了！我跟光催化領域的專家討論過，的確，黑鈦可以提高光催化反應速率，畢竟黑色吸收光比白色多得多。其次，利用三維石墨烯來執行吸附作用，是比要石墨烯來執行光催化作用更有用。但把石墨烯（吸附）與黑鈦（光催化）複合後，究竟會不會產生負面的交互作用，這是要用大量數據來驗證的。

在這個石墨烯項目的技術積累上，2014 年黃富強等科研人員原創地發展出多種新型製備方法（氫等離子法、鋁還原法、二步非金屬摻雜法），大幅提高了太陽光譜中可見光和近紅外光的吸收，效果明顯。這些最新發現的黑色二氧化鈦納米晶，不同於高溫氫氣還原的黑色氧化鈦，為一種核殼結構，核區仍為結晶的二氧化鈦，外殼為無定型的結構，其中無序的外殼是使白色二氧化鈦變成黑色的功能區域，無序的外殼包含氧空位或非金屬 X 摻雜（X=H、N、S、I）。該結構可導致對太陽光的吸收高達 85%，遠優於文獻報道（30%）。良好的太陽能寬譜吸收、化學物理穩定性，以及改善的載流子濃度和電子遷移性能，可以滿足高效太陽能的要求。其中，氮摻雜的納米黑色二氧化鈦，太陽光催化分解水，產氫率達到 15mmol h-1 g-1，處於報道最優異的可見光催化劑之列；對有機污染物的降解速率是商用納米二氧化鈦（P25）的四倍。能夠等到 2018 年才推出產品，數據顯示太陽光吸收率提高到 95%，我比較願意相信這是經過幾年來不斷技術提升的結果！

理論上，黑色是因為不反射所有的光，換言之就是吸收所有光。2014 年英國一家公司生產出了與眾不同的物質，以至於它能吸收幾乎所有的可見光，創造了新的世界紀錄。這種「超黑」塗層由碳納米管組成，除了成本高以外，我們知道這種材料比黑鈦之光吸收係數更高，就是不知道光催化降解率是否會比較好？至於，光催化降解的速率通常受二個因素影響：吸附效率和光催化反應速率。有較高吸附性能的材料不一定具有較快的降解速率，還要綜合考慮光催化反應速率常數k的影響。我們沒有看到實測的數據，僅提到化學需氧量、氨氮、總磷等代表性指標均從劣五類水改善至五類水以上，這是小小的遺憾。其次，徂不同石墨烯對於被吸附物會有所效果上的差異，所謂，高效吸附其中有毒重金屬，添加 1 克多孔新材料可吸附 1.476 克鉛離子，這點在不同水域是無法一體適用的。不過，這還是我少數會去稱讚的項目，這個行業就是需要這類紮實驗證的科學家來導正浮誇的風氣。

Ref.:Chem. Soc. Rev., 2015,44, 1861, | DOI: 10.1039/c4cs00330f.

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