自20世紀(jì)70年代以來，光催化技術(shù)由于在解決人類面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染上的巨大潛力而受到廣泛關(guān)注。光催化反應(yīng)中，半導(dǎo)體光催化材料（如TiO2）吸收光被激發(fā)，產(chǎn)生光生電子和空穴；光生電子和空穴遷移到材料表面后，既可以發(fā)生氧化反應(yīng)，也可以發(fā)生還原反應(yīng)。以光生電子為主導(dǎo)的光催化還原反應(yīng)能夠有效去除水中多種致癌含氧陰離子。然而，現(xiàn)有光催化還原材料的反應(yīng)效率較低，制約了其實(shí)際應(yīng)用。為了提升光催化還原反應(yīng)的效率，通常需要在反應(yīng)體系中加入空穴犧牲劑來消耗光生空穴，從而避免光生空穴對(duì)還原反應(yīng)的影響。但是，這種方法增加了處理成本，容易造成水體的二次污染，不適宜于飲用水處理。

　　貴金屬/過渡金屬具有較高的功函數(shù)，與光催化材料結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，能夠捕獲光生電子，增強(qiáng)光生電子與空穴的分離，進(jìn)而提升光催化反應(yīng)效率，在高效光催化材料設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。但是，這種光催化材料設(shè)計(jì)并不能有效消耗掉具有強(qiáng)氧化性的光生空穴，實(shí)現(xiàn)有效光催化還原反應(yīng)仍然要依賴在反應(yīng)體系中加入空穴犧牲劑。在光催化還原材料設(shè)計(jì)上，如果能夠通過空穴捕獲與消耗來增強(qiáng)光生電子與空穴的分離，那就可以在提升光催化還原反應(yīng)效率的同時(shí)避免在反應(yīng)體系中加入空穴犧牲劑，解決現(xiàn)有光催化還原凈水材料面臨的問題。

　　在此思路的指導(dǎo)下，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室環(huán)境功能材料研究部研究員李琦及其研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一種高效光催化還原凈水材料，無需加入空穴犧牲劑就實(shí)現(xiàn)了在可見光下高效去除飲用水中常見的致癌陰離子溴酸根。經(jīng)過理論分析和材料篩選，他們選擇了半金屬Bi與金紅石TiO2結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)。作為一種半金屬，Bi有著特殊的物理性質(zhì)。與貴金屬或者過渡金屬相比，Bi的功函數(shù)比較低，約為4.22eV，與金紅石TiO2比較接近；塊體Bi與金紅石TiO2結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)時(shí)TiO2產(chǎn)生的光生電子依然能夠被塊體Bi捕獲。隨著其尺寸減小到納米尺度，半金屬Bi從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體，伴隨此轉(zhuǎn)變納米Bi出現(xiàn)導(dǎo)帶位置上升與價(jià)帶位置降低的半導(dǎo)體特性。此時(shí)，半導(dǎo)體納米Bi的導(dǎo)帶高于金紅石TiO2的導(dǎo)帶，光照下產(chǎn)生的具有強(qiáng)還原性的光生電子將不能向納米Bi轉(zhuǎn)移，而是留在金紅石TiO2上；而光生空穴能夠轉(zhuǎn)移到納米Bi上，并通過將Bi氧化為Bi3+從而被消耗掉。因此，此材料體系不僅能夠通過提高光生電子的壽命來提升光催化還原反應(yīng)效率，而且避免了在反應(yīng)體系中加入空穴犧牲劑，非常適宜于光催化還原技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用。此項(xiàng)研究提供了一種新型高效光催化還原材料設(shè)計(jì)的思路，有望獲得廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental上。

　　該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)前沿創(chuàng)新項(xiàng)目以及格平綠色行動(dòng)-遼寧環(huán)境科研教育“123工程”項(xiàng)目的支持。

    圖1 (a)塊體Bi/TiO2 (rutile)與(b)納米Bi/TiO2 (rutile)復(fù)合光催化材料能帶結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖。(c)納米Bi/TiO2 (rutile)復(fù)合光催化材料光催化還原溴酸根原理圖。