石墨相氮化碳（g-C3N4）催化臭氧-可见光耦合处理废水技术取得重要进展

　　高级氧化技术是高效去除废水中有机污染物的重要技术手段，主要利用过程产生强氧化性羟基自由基（？OH）无选择性深度矿化有机物。高级氧化技术包括芬顿氧化、臭氧氧化、光催化、湿式氧化、电化学氧化等，其中催化臭氧氧化技术已在钢铁、煤化工行业废水深度处理实现工业应用。通过与光催化、芬顿氧化、过硫酸盐氧化，可进一步提高臭氧氧化过程的降解效率。 

　　环境技术与工程研究部谢勇冰副研究员研究小组前期发现石墨相氮化碳（g-C₃N₄）催化臭氧-可见光过程具有很强的耦合氧化效应，并揭示了g-C₃N₄高导带位置对催化性能的重要影响。近期对比一系列碳材料和半导体材料在臭氧、光催化、臭氧-可见光耦合过程的催化活性，验证了臭氧氧化过程中两种不同？OH氧化路径，发现g-C₃N₄高价带位置有利于臭氧与空穴竞争捕获光生电子（Carbon, 2016, 107, 658-666）。通过与德国莱布尼兹催化所合作，利用原位电子自旋共振谱定量表征g-C₃N₄催化臭氧-可见光耦合过程，发现通入臭氧后，电子还原氧气形成超氧自由基（？O₂^？）进而产生过氧化氢（H₂O₂）路径改变为超氧自由基（？O₂^？）与臭氧分子反应产臭氧负离子自由基（？O₃^？），另外臭氧也易被光生电子快速还原为？O₃^？，进而提高？OH产率和污染物降解效率（ACS Catalysis, 2017, 7, 6198？6206）。 

　　此外，g-C₃N₄广泛应用于光催化相关过程，但其化学结构稳定性尚无报道。研究发现，g-C₃N₄对光催化产生的？O₂^？氧化稳定，但会被臭氧-可见光过程产生的？OH缓慢氧化成氰白尿酸，最终氧化为硝酸根和二氧化碳。但在处理有机废水时，？OH会优先降解大部分有机污染物，因而维持了g-C₃N₄化学结构稳定（Environmental Science & Technology, 2017, 10.1021/acs.est.7b04215）。 

　　该研究得到国家杰出青年基金（51425405）、北京市面上基金（8172043）和中科院-德意志学术交流中心合作项目（91637735）支持。 

                 图1：g-C₃N₄催化臭氧-可见光过程的自由基衍变                 图2：g-C₃N₄缓慢氧化过程示意图 

（环境技术与工程研究部）