楊金龍

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

理論計(jì)算評(píng)價(jià)光催化劑降解VOCs 的性能流程。

揮發(fā)性有機(jī)污染物VOCs是典型的大氣污染物，對(duì)氣體環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響1。因此，控制VOCs在大氣中的排放刻不容緩2。目前利用光催化劑降解污染物來有效控制VOCs的技術(shù)手段吸引了研究者的廣泛關(guān)注3。

雖然在實(shí)驗(yàn)過程中已采用多種技術(shù)手段去研究高效光催化劑，并了解對(duì)應(yīng)的催化機(jī)理4。但對(duì)于從電子和原子水平深入剖析光催化機(jī)理，依然具有極大的挑戰(zhàn)。而基于第一性原理的密度泛函理論(DFT)計(jì)算能夠很好的解決這一問題5。但目前來說，從DFT計(jì)算角度來評(píng)價(jià)光催化降解污染物性能和機(jī)理的方法一直沒有被系統(tǒng)的總結(jié)，使得光催化劑在電子和原子水平的研究參差不齊。

類石墨氮化碳g-C3N4作為一種二維非金屬光催化劑具有與眾不同的電學(xué)性質(zhì)，良好的熱導(dǎo)性能，豐富的表面積，容易合成等優(yōu)點(diǎn)4,6。但其帶隙相對(duì)較大，電子空穴對(duì)復(fù)合率高，氧化能力弱不易生成電子空穴對(duì)限制了實(shí)際應(yīng)用7。因此，相對(duì)性質(zhì)更突出的g-C3N4量子點(diǎn)便成了眾多研究者的關(guān)注熱點(diǎn)8。

近日，廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院敖志敏教授團(tuán)隊(duì)考慮石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能，推測(cè)石墨烯能夠加速g-C3N4量子點(diǎn)電子空穴對(duì)的遷移，降低復(fù)合率，于是以g-C3N4量子點(diǎn)/石墨烯為例，從理論計(jì)算的角度提出了一種評(píng)價(jià)光催化劑性能和機(jī)理的方法。眾所周知，光催化降解有機(jī)污染物主要是利用光激發(fā)生成的電子空穴對(duì)去活化吸附在催化劑表面的水，氧氣以及其他的氧化物，使其生成羥基自由基和超氧離子自由基，并利用這些自由基使污染物降解為更為清潔的二氧化碳和水6。因此，提出以下幾點(diǎn)評(píng)價(jià)過程：①能帶結(jié)構(gòu)、價(jià)導(dǎo)帶位置以及光吸附利用率，以此判斷光生電子空穴對(duì)效率；②對(duì)水、氧氣以及其他氧化物的吸附性能，判斷活性自由基的生成情況；③對(duì)污染物的吸附能力；④降解污染物的反應(yīng)路徑，得出降解性能。與此同時(shí)，敖志敏教授團(tuán)隊(duì)還闡述了一種新穎的電子躍遷機(jī)制，為合理的從DFT計(jì)算角度評(píng)價(jià)光催化劑性能和機(jī)理提供了有效指導(dǎo)。

上述研究工作近期在Journal of Materials Chemistry A期刊上在線發(fā)表9。該工作不僅總結(jié)了在理論計(jì)算方面評(píng)價(jià)光催化劑性能和機(jī)理的方法，同時(shí)還表明g-C3N4量子點(diǎn)/石墨烯可以提高可見光利用率來有效生成光生電子對(duì)，促進(jìn)羥基自由基和超氧離子自由基的生成，作用于光催化降解VOCs。重要的是，電子從量子點(diǎn)價(jià)帶經(jīng)過石墨烯這個(gè)跳板，躍遷到量子點(diǎn)的導(dǎo)帶上，在提高可見光利用率的同時(shí)，抑制了光生電子空穴對(duì)的復(fù)合。