光催化生物还原

- 1 - co2还原 综述 CO2还原是指利用多种能量源，例如太阳能、水等，来将二氧化碳（CO2）还原成可用的有机物，如碳水化合物、有机酸等。由于地球上太阳能资源丰富，利用太阳能将二氧化碳还原成其它有机物，可以有效缓解环境污染问题，提高生活水平。 CO2还原是一种相对简单的过程，只需要将二氧化碳与其它基元结合起来，就可以产生有机物。因此，研发CO2还原有助于减少温室气体排放，同时还可以提高经济效益。CO2还原是改善环境污染的重要途径之一，近年来受到了世界各国的，政府和研究机构的极大关注。 CO2还原技术有多种，主要有光催化还原、电催化还原和水催化还原等。光催化还原是利用太阳能将CO2还原成可用的有机物，是目前最为常用的CO2还原技术。电催化还原是利用电极将CO2还原成有机物，该技术已在实际应用中取得了很好的效果，但由于存在投入成本限制和电极耗损快的问题，其应用范围有限。而水催化CO2还原是利用水的容易反应性，与CO2发生反应，利用反应产物还原CO2。该技术可大大减少能量消耗，但由于反应速率较慢，当前仍在不断完善中。 此外，还有以微生物为催化剂的CO2还原技术，是利用特定的微生物群体，将CO2还原成有机物。该技术与其他CO2还原技术相比，具有低成本，可靠性高，准备及操作简便等优点，是未来CO2还原的有希望领域之一。 当前，CO2还原研究在不断深入，发展趋势十分迅猛。从目前的 - 2 -

进展来看，CO2还原技术的发展有望在未来几年内达到小规模生产应用和长期运行的水平。 综上所述，CO2还原是一种简单有效的过程，可以通过多种方式将CO2还原成有机物，从而可以减少温室气体排放，改善环境污染，提高经济效益。CO2还原技术的发展有望在未来几年内达到小规模生产应用和长期运行的水平，因此，未来CO2还原技术的发展具有广阔前景。

吸附技术 生物降解技术 催化氧化技术 高温焚烧技术
不能分解污染物、吸附饱和 使用周期短、二次污染 对难生物降解污染物无能为力 处理条件要求苛刻 系统运行稳定性较差
能耗较高、催化剂中毒 反应副产物二次污染
能耗高、产物二次污染
光催化技术 吸附技术
高性能复合环境净化材料及其应用的基础研究
一、光催化简介高－性能学复科合前环沿境净化材料及其应用的基础研究
● 纳米固体超强酸型光催化剂
SO42-/TiO2, SO42-/SiO2-TiO2, Pt- SO42-/ TiO2
● 窄带无机半导体敏化型可见光光催化剂
InVO4/TiO2，LaVO4/TiO2，PS/TiO2，PZT/TiO2
● 金属或金属离子掺杂型光催化剂
Pt/TiO2， M3+/TiO2 (M3+= Gd3+，La3+，Pr3+)
催化剂
比表面积 孔体积 锐钛矿含量 平均晶粒度
（m2/g） （ml/g）
（%）
（nm）
SO42-/TiO2
154
0.21
100
5.6
TiO2 (P-25)
50
－
75
30
酸强度 （H0） ≤ -12.44
≥ -3.0
氧吸附量 (mmolg-1)
0.54 0.31
光催化活性（%）
甲醛 溴代甲烷 乙烯
96.0
F(R)
0.06
0.03
TiO2-xNx
InVO4
InVO/4TiO2
0.00 TiO2
400
500
600
700
Wavelength (nm)
J. Mater. Chem., 2019, 16, 1116

光反应阶段的物质变化及能量变化1光合作用光合作用是植物利用太阳能将二氧化碳和水转化为糖、水和氧气的一种生物化学过程。

它分为四个主要步骤：光捕集、氧化还原反应、光催化反应和次生物成分生成。

其中以光催化反应最重要，也是光合作用中最难理解的过程，是光合作用不断进行的基础。

2光催化反应阶段光催化反应阶段又叫光反应中心反应，是植物光合作用的关键阶段。

它的主要效应是将太阳的无机光能转换为生物有机化学能，将水和二氧化碳相互转换，形成植物所需的简单糖分子。

它是光合作用的基础，也是植物进行新陈代谢的关键步骤。

其中，水解反应是光催化反应过程中最重要的步骤，也是影响光合作用整个过程效率的关键。

它将水分解为氧和氢，以及释放出有利于光合作用过程的大量热能和化学能。

其后，将氢与碳酸根反应，碳酸根就会发生变化，形成3-羟基甘油、二羟乙酸和糖类，这些糖分子的水解反应将释放出更多的化学能和光能。

3物质变化在光催化反应中，植物从水和二氧化碳中搬移电子，最后形成植物需要的有机物质，这一过程就是合成代谢反应，也称为发酵反应。

这些物质包括完全降解的物质，如木糖、糖精苷以及不完全降解的物质，如植物蛋白质和脂肪等。

此外，光催化反应还能产生水，其它物质如磷酸根、硫酸根和其他有机物质等都会被植物吸收反应所产生。

4能量变化光催化反应过程中还会发生一定的能量变化，这是光合作用不断进行的一个必要条件。

由于光催化反应把无机光能转换成生物有机化学能，在反应时会释放出大量的光能和化学能，这些能量植物可以利用并存储起来。

因此，光合作用的步骤不仅影响物质的合成，而且影响到能量的存储。

总而言之，光催化反应阶段是光合作用的关键阶段，包括水解反应和碳酸根的变化等。

在这一阶段中，将水分解为氧和氢，将碳酸根变形，从而完成简单糖分子的合成，生成植物需要的各种有机物质，并释放出大量的化学能、光能和热能，这些能量能被植物利用继续参与后续的光合作用反应。

g—C3N4-TiO2光催化研究进展环境污染和能源短缺已经给人类的健康和生命带来了巨大的危害，因此，它们已经成为全社会面临的两个全球性问题。

光催化作为解决环境和能源问题的有效途径，已经成为时代的需要，引起了研究者的广泛关注。

在众多半导体光催化剂中，TiO2已经成为环境净化的标杆，用于多种有机物、病毒、细菌、真菌、藻类和癌细胞研究领域，可以将有机污染物完全降解并矿化成CO2、H2O和无害无机物。

但是，TiO2的禁带宽度仅为3.2ev，对地球太阳光的吸收利用率仅占5%，所以，研究者们提出了许多改性方法。

1TiO2改性研究进展在已经研究的各种光催化剂中，TiO2被认为是最有潜力的一种，因为它具有成本低、无毒、性能稳定的优点。

在实际应用中，二氧化钛因其较强的光催化性能、化学和生物惰性、高光化学稳定性被广泛应用于有机化合物的分解中。

然而，传统TiO2在催化效果上存在缺陷，主要是由以下两个方面引起的。

一方面，约3.2 eV的带隙使其只能吸收紫外线区域的光，对可见光的吸收几乎为零，从而没有有效利用地球太阳光资源；另一方面，光生电子和空穴的复合现象严重，极大地限制了TiO2的催化性能[1-3]。

目前，已经报道了各种提高TiO2催化活性的改性方法，如非金属氧化物负载、半导体材料表面吸附可发生敏化的染料，或带有磁性的Fe离子混摻等，都很有效的激发了光催化活性。

G.Scarduelli等采用射频磁控法制备了TiO2、N掺杂TiO2、V（钒）掺杂TiO2和V-N共掺杂TiO2薄膜。

研究表明，N掺杂、V掺杂和V-N共掺杂分别使TiO2的带隙降低到3.0eV、2.8eV和2.5eV。

通过对亚甲基蓝、氯酚和硝基苯酚降解观察到，与单掺杂和未掺杂TiO2相比，因可见光吸收光谱拓宽和降低光生电荷复合等因素，V-N共掺杂TiO2具有最高的光催化活性。

Mehrzad Feilizadeh等采用溶胶-凝胶法成功地合成了镧系/聚乙二醇修饰的TiO2（La/Peg/TiO2）。