Small Science:高效分解有机水污染物的压电催化泡沫

随着人类社会的发展,水污染已逐渐成为人类生存健康的严重威胁。高级氧化技术(Advanced Oxidation Process,AOP)是处理水环境中有机污染物的重要方法,其原理是通过在水中产生自由基,将水中的有机分子分解为水、二氧化碳与无机矿物。通常,水中自由基可以通过紫外照射、通电、加入氧化试剂等方式产生,然而这些方式大多需要外界物质与能量的输入或依赖于周围环境状况。近年来,压电催化的概念被提出并得到了长足的发展。通过将压电材料置于污染水体中。在水流、波浪等机械能的作用下,压电材料可以产生自由电荷,进而与水分子或水中溶解的氧气反应生成·OH、·O2等自由基,达到净化水体的效果。目前,基于钛酸钡纳米线、二硫化钼纳米片等压电催化体系可以在超声下对有机染料进行高效的分解。然而这些纳米颗粒在自然水体中易于分散,难以回收与循环利用,甚至造成二次污染,引起新的环境问题。而若将压电纳米颗粒负载于一体式基底表面,则会降低压电材料与污染物的接触面积以及压电材料本身产生的形变,从而导致污染物分解效率显著下降。

图1. (a) 压电催化泡沫处理污水示意图。(b) 压电催化泡沫对罗丹明染料的分解。(c) 压电催化泡沫对自然水体的净化。

针对这一问题,香港理工大学纺织与服装学系陶肖明教授与应用物理系的柴扬副教授合作,设计了一种新型的一体式压电催化泡沫。该泡沫由本身具有压电活性的γ相聚偏氟乙烯(γ-PVDF)和四方相钛酸钡压电颗粒构成,两种压电材料的协同作用可以大大提高压电电荷的产量。此外,他们采用多孔镍作为沉积模板,在刻蚀后留下三维贯通的内部孔道。这种孔道结构不仅增加了压电材料与污染物的接触面积,而且通过引入局部应力集中进一步提高了压电电势。这种压电催化泡沫可以在超声下对罗丹明-b、亚甲基蓝、甲基橙等多种染料进行高效分解,并有着优异的循环稳定性以及在低频振动下分解染料的能力。此外,该压电催化泡沫也可用于对自然水体中有机污染物的处理,在超声处理下降低水体的化学需氧量。这种通过功能材料复合与结构设计构建的新型压电催化体系,因其优异的污染物降解效率以及环境友好性,在未来水污染治理领域有着广阔的应用前景。

相关工作发表于WILEY旗舰新刊Small Science(DOI:10.1002/smsc.202000011)上,第一作者是香港理工大学纺织与服装学系的博士后史济东。

本文作者

陶肖明教授自2002年以来担任香港理工大学纺织及制衣学系讲座教授,她目前拥有由吴文政及王月娥信托基金捐赠的「吴文政及王月娥纺织科技教授席」。陶教授在2007年至2010年担任国际纺织学会世界会长,现为国际纺织学会院士、美国机械工程师学会院士,以及英国皇家艺术、设计及商业研究院院士。同时,陶教授是斯普格林出版的“智能纺织手册”的主编,并担任该领域十多种重要学术刊物的编委。

陶教授以其在智能纤维材料,纳米技术,光子纤维和织物,柔性电子和光子器件,纱线生产及纺织复合材料方面的领先研究成果享誉国际。她发表科技论文800余篇,其中包括300余篇国际期刊论文和7本研究专著。她发表的作品已被引用超过13000次,h指数高达58。陶教授被应邀在超过100多个国际会议上发表主题演讲。陶教授获得40多个奖项中,最具影响力的包括:2011年国际纺织学会颁授的荣誉院士(纺织领域的最高个人奖),以及2013年获美国纤维学会颁授的创始人奖项(纤维科学技术领域的最高奖项)。

柴扬,香港理工大学应用物理系副教授, IEEE Distinguished Lecturer,香港物理学会副主席,香港青年科学院院士。发表SCI期刊论文近100篇,包括Nature, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances,Advanced Materials等。获得IOP Semiconductor Science and Technology Early Career Award in Research,香港研究资助局杰出青年学者奖,香港理工大学应用科学学院杰出研究奖,第五届 ICON 2DMAT 青年科学家奖等。研究兴趣主要集中在低维材料在电子器件与能源。