淺析木質(zhì)材料在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用

段濤　葛慧琳　李明馨　夏潔　何秉航　丁小波

摘 要：木質(zhì)材料的應(yīng)用范圍隨著納米技術(shù)發(fā)展不再僅僅局限于傳統(tǒng)建材家具行業(yè)，其在能源儲存、海水淡化和廢水處理等新興領(lǐng)域也逐漸嶄露頭角。木質(zhì)材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)與成分組成，如強(qiáng)柔韌性、高孔隙率、高比表面積及易于調(diào)控的表面化學(xué)特性使其在光催化降解廢水方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，為我國有機(jī)廢水降解處理提供了新興的研究方向與材料備選。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)材料 光催化 廢水處理

中圖分類號：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0086-02

光催化作為材料科學(xué)、光電化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域。隨著光催化劑的發(fā)展與突破，如可見光誘導(dǎo)的光催化劑研究的突破，光催化材料超親水性的發(fā)現(xiàn)，超分散及可見光活性的突破，使得光催化在多個(gè)領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，如有機(jī)物的降解、水和空氣的凈化、生態(tài)建筑材料等。但其仍存在許多亟待解決的問題，如光電子傳輸效率低，濃度高的廢水和廢氣降解效果不佳；多相光催化反應(yīng)機(jī)理難以得到有效清楚的解釋，制約著改進(jìn)新型高效催化劑的研究推進(jìn)。但光催化技術(shù)以其高效安全環(huán)境友好的特性將取代傳統(tǒng)的技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展空間。木質(zhì)材料在過去幾年的研究中，在抗沖擊能力、導(dǎo)電方面等都取得了迅猛的發(fā)展，現(xiàn)已有文獻(xiàn)報(bào)道做出透明木材復(fù)合材料，其光學(xué)性質(zhì)（包括霧度，正向透射率）水平可高達(dá)90%以上[1]，同時(shí)木材復(fù)雜的多孔管道結(jié)構(gòu)提供最佳的垂直污水通過的渠道，能夠吸收大量的有機(jī)化合物，其優(yōu)異的導(dǎo)光特性、復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)和快速運(yùn)輸物質(zhì)的能力具備廣闊的應(yīng)用前景。

1 木質(zhì)材料的處理與催化應(yīng)用

1.1 透明木質(zhì)材料制備方法

木材的主要成分有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，不同的木材因結(jié)構(gòu)層次的變化，表現(xiàn)出不同孔隙率、導(dǎo)熱率和機(jī)械性能。制備透明木材的方法都大同小異，首先是選擇強(qiáng)堿和具有漂白性質(zhì)的混合溶液進(jìn)行加熱漂洗，以掏空木材中木質(zhì)素。不同木材均具有相似的垂直排列通道，在聚合物滲透進(jìn)相互連接孔隙的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之后，木材中含有的纖維素和聚合物之間折射率不匹配，使光可以沿著纖維素和聚合物傳導(dǎo)，最終透明木質(zhì)材料顯示出高透射率，且保持了良好微觀結(jié)構(gòu)。研究表明[2]對于聚合物的選擇，需滿足的要求是折射率接近1.5且具有低粘度。

1.2 其他木質(zhì)材料制備方法

通過在惰性氣氛中高溫碳化木材，以制造低密度的生物多孔碳材料，可通過原位沉積光催化物質(zhì)涂層，同時(shí)保持連續(xù)有序的通道結(jié)構(gòu)；也可用化學(xué)沉積法進(jìn)行物質(zhì)附著處理，但若相應(yīng)官能團(tuán)嫁接，材料呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 木質(zhì)材料的光催化應(yīng)用

木質(zhì)材料經(jīng)過改性處理之后，當(dāng)光通過光催化材料時(shí)，導(dǎo)帶中的電子吸收光子然后轉(zhuǎn)移到價(jià)帶，電子和空穴仍然連接在一起。在擴(kuò)散作用下，光生電子和空穴被分離，所得到的具有強(qiáng)氧化性的空穴與染料接觸，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而使染料分解。光催化物質(zhì)與木質(zhì)的復(fù)合材料提供了更大的比表面積，有效地提高了光利用效率。

二氧化鈦?zhàn)鳛槌Ｒ姷墓獯呋瘎?，其光催化活性取決于二氧化鈦?zhàn)陨淼南嘟Y(jié)構(gòu)和組成、顆粒尺寸、比表面積等。然而由于二氧化鈦的半導(dǎo)體能帶較寬，本身并不能滿足各種類型反應(yīng)的要求，經(jīng)紫外線的激發(fā)后光生電子與空穴對復(fù)合幾率高，光催化活性大幅下降，并且可見光的利用率低，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。可采取貴金屬修飾、制造多組分異質(zhì)結(jié)、增加表面積、調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)等各種途徑來克服這些缺陷，以促進(jìn)光吸收及增強(qiáng)光載流子傳遞速率，影響活性自由基的產(chǎn)生。對于如二氧化鈦一類具有相同性質(zhì)的光催化劑，選擇與木質(zhì)材料復(fù)合以增加載流子傳輸速率和比表面積達(dá)到提高光催化降解染料的效果，將會是木質(zhì)復(fù)合材料運(yùn)用的熱點(diǎn)方向。

在HuiMei與其同事的研究[3]木質(zhì)復(fù)合材料的可見光催化降解羅丹明B，在黑暗環(huán)境中建立吸附解吸平衡期間，木質(zhì)復(fù)合材料展現(xiàn)了非常好的染料分子吸附效果，高吸附效率有利于光照下的催化降解，且復(fù)合材料比未符合材料相比，有效提升了2.2倍左右的的降解效率，體現(xiàn)了復(fù)合木質(zhì)材料的高光利用效率與強(qiáng)光催化活性。

2 展望

就當(dāng)前發(fā)展形勢而言，多功能木質(zhì)材料在理論與實(shí)踐方面都實(shí)現(xiàn)了重大突破并展現(xiàn)了應(yīng)用價(jià)值。其已經(jīng)在太陽能蒸汽發(fā)電[4]可生物降解等方面相較于傳統(tǒng)材料具有其巨大的優(yōu)勢，并且在不斷深入研究木質(zhì)材料之后，其獨(dú)特性能優(yōu)勢如導(dǎo)光能力強(qiáng)也逐漸被發(fā)現(xiàn)。除此之外，相信木質(zhì)材料還具有其他一些隱藏的尚未發(fā)現(xiàn)的優(yōu)秀特性有待進(jìn)一步研究。透明木材參雜或者復(fù)合其他具有光催化性質(zhì)的金屬氧化物會是今后木質(zhì)材料光催化的研究方向之一，我們期待木質(zhì)復(fù)合材料在光催化處理有機(jī)廢水行業(yè)取得更輝煌的成績并引領(lǐng)我們?nèi)ネ诰蚋嗟奈粗I(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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[3] Hui M ， Weizhao H ， Chengxu H ， et al. A novel approach to strengthen naturally pored wood for highly efficient photodegradation[J]. Carbon， 2018：S0008622318306390-.

[4] Jia C ， Li Y ， Yang Z ， et al. Rich Mesostructures Derived from Natural Woods for Solar Steam Generation[J]. Joule， 2017， 1（3）：588-599.