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北京市海淀区中关村北一街2号
中国科学院化学研究所
光催化及环境光化学课题组
Tel:010-82615942
Fax:010-82617315
Email:jczhao@iccas.ac.cn

课题组简介 课题组简介

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      低浓度、高毒性、难降解有机污染物(如卤代物、染料、农药、抗生素药物等)引起的环境问题已经严重影响人类的健康。这些主要源自人工合成的污染物毒性大,即使浓度很低也容易引起动物及人类致癌、致畸、致突变性。更重要的是现有环境技术(如生物技术,物理化学技术等)很难将其除去。光催化降解技术以其高效、绿色及有效利用太阳能等优点成为最有产业化应用前景的环境技术之一。课题组长期从事低浓度、高毒性、难降解有机污染物的新型光催化体系以及光催化机理方面的研究。重点研究方向如下:污染物光催化降解新材料、新原理和新方法、大气颗粒物表面光化学过程、微量污染物光化学检测新方法和新原理、光催化绿色有机合成等。课题组职工包括6名研究员及1名副研究员,其中包括中国科学院院士1人,国家杰出青年获得者3人,国家优秀青年基金获得者2人,目前在读研究生36人,在站博士后2人。

 温暖的大家庭:

                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

课题组座右铭:

         幼儿般的好奇,探险家般的勇敢,麂鹿般的敏捷,

         炼金士般的持久,梦幻般的激情,

         通融、谦虚、欢乐及幽默

最新研究进展 最新研究进展

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黑碳的非均相光化学老化过程研究取得新进展

      黑碳(soot)一经排放到大气中,就会与大气中的无机、有机气体相互作用,该过程不仅显著影响大气中气体组分的含量与寿命,也会显著改变黑碳的化学组成、结构、光学性质、亲水性等。在这些性质中,黑碳的化学组成对其亲水性、光学性质等有显著的影响。因此研究黑碳非均相老化中化学组成的变化具有重要的意义。

        在该工作中,我们首次研究了黑碳与O2在水中的非均相光化学反应。该非均相反应将黑碳表面非极性的C-H物种氧化成极性的C=O物种,极性物种具有更大的水溶性,因此伴随着光化学反应的发生,黑碳向水中释放溶解性有机物,提高了水相的吸光能力。更重要的是,我们发现黑碳的悬浊液特别是水溶性部分,是产生1O2的高效光敏剂,水溶性黑碳在377 nm光照下,1O2的量子产率达到33 ±2%,比水中大多数溶解性有机物的1O2量子产率高出一个数量级。黑碳在光照下可以有效地降解双酚A,说明黑碳可以显著影响水相共存有机污染物的环境寿命。因此,黑碳在水相中的光老化可通过有机物的释放和降解显著影响水相化学组成。该工作不仅研究了黑碳在水中非均相光化学老化过程,也揭示了该过程对水环境的影响:黑碳通过向水中释放溶解性有机物和利用产生的1O2降解水中共存的污染物来影响水环境的化学组成,进而影响水环境的性质。研究结果发表在Environmental Science & Technology(2019,DOI:10.1021/acs.est.9b02773)上。

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内容

α-Fe2O3光阳极表面水氧化过程研究取得进展

       

        在新能源领域,利用太阳能光电化学氧化水已经成为研究的热点。水氧化过程是涉及四个质子和四个电子转移的复杂过程。已有的α-Fe2O3表面水氧化机理研究大都关注电子转移动力学及其物理化学参数的表征,而对质子的转移或者质子耦合的电子转移研究还未见报道。在质子耦合电荷转移(proton-coupled electron transfer, PCET)机理中,质子与电子的协同转移可以避免高能中间体的产生,对降低整个反应的动力学能垒和加快反应速率起到关键的作用,因此重点研究α-Fe2O3表面进行质子耦合电子转移机理十分必要。

        首先我们重点关注α-Fe2O3表面水氧化过程中质子转移的动力学效应,利用动力学同位素效应和电化学阻抗谱实验揭示了在低pH下α-Fe2O3表面水氧化的过程是耦合的质子电子转移过程,决速步骤中包含O-H键的断裂,水作为质子受体,其较弱的接受质子的能力是导致光电活性差的主要原因,因此可以通过加入更强的质子受体来增加光电活性。因此我们在这个体系中加入更强的质子受体——缓冲盐来提高α-Fe2O3在低pH条件下光电化学氧化水的活性,显示了很好的效果,从原理和实验上实现了对α-Fe2O3光电水氧化过程的调控。进一步,研究了O-O键形成过程,我们结合了基于电化学阻抗谱的反应级数分析和原位光电化学红外光谱来探索水氧化中O-O键形成的机理。我们发现光电化学水氧化过程中溶液的酸碱性对反应机理有重要的影响。在近中性条件下,反应级数分析显示表面捕获空穴的反应级数是1,并且在红外光谱中检测到超氧中间体,这些证据表明O-O键通过H2O分子亲核进攻表面空穴形成。然而,在碱性条件下,表面捕获空穴的反应级数增加到2,并伴随着超氧中间体在红外检测中的消失,表明O-O键通过表面捕获态空穴耦合形成。当溶液的pH从中性向碱性过渡时,我们观察到了反应机理从亲核进攻向空穴耦合的转变。这一发现揭示了半导体表面质子化状态对于水氧化的反应动力学以及O-O键形成反应机理的决定性作用。相关研究结果发表在J. Am. Chem. Soc.(2016, 138, 2705–2711)、J. Am. Chem. Soc.(2018, 140, 3264-3269)上。