具有双重功能的TiO?/生物炭复合材料，用于捕获和分解NH?

《Journal of Environmental Radioactivity》：Dual-function TiO 2/biochar composites for NH 3 capture and decomposition

TiO?/biochar复合材料通过水热碳化与低氧煅烧协同制备，兼具高效吸附（10 ppm NH?快速降至3.73 ppm）和可见光响应光催化能力，解决传统TiO?固定方法团聚与孔隙受限问题，同时保留碳载体丰富氧基团，促进电子-空穴分离。

　　本研究围绕氨气（NH?）这一重要的大气污染物，探讨了其去除的技术路径，并提出了一种结合传统吸附技术与光催化作用的新方法。氨气作为污染源之一，不仅对空气质量造成严重影响，还对人体健康构成威胁。在低浓度下，它就可能刺激人的眼睛和上呼吸道，而高浓度则具有更强的毒性和腐蚀性。因此，开发高效、环保且可持续的氨气去除技术对于保护环境和人类健康具有重要意义。

氨气的排放主要来源于农业活动、工业生产、畜禽养殖以及氮肥使用、垃圾填埋、污水处理、制冷行业、机动车尾气和厨房与卫生废弃物等。这些来源导致氨气在大气中的浓度不断上升，从而加剧了雾霾等环境问题。针对这一挑战，研究者们尝试了多种处理方法，包括物理方法如吸收和冷凝、化学方法如化学洗涤、氧化和催化分解，以及生物方法如生物过滤和滴滤。然而，这些方法各具局限性。例如，冷凝法会产生废液和二次污染，化学洗涤则成本高且具有腐蚀性，生物方法需要较长的反应时间且对环境条件有较高要求。而吸附技术虽然被广泛推荐，但其吸附容量有限，且在吸附饱和后效率会显著下降。

鉴于上述问题，本研究提出了一种创新性的方法，将吸附与光催化技术相结合，旨在提高氨气去除的效率和可持续性。光催化技术因其环保、高效、常温操作且无二次污染等优点而备受关注。然而，传统的光催化材料如二氧化钛（TiO?）在实际应用中面临一些挑战。例如，其宽禁带特性限制了对可见光的响应，导致在自然光条件下的应用受限。此外，TiO?在使用过程中容易发生团聚，影响其催化活性。为了解决这些问题，研究者们尝试将TiO?固定在合适的载体上，以改善其分散性和稳定性。

碳材料，尤其是生物炭（biochar），因其丰富的官能团、高的比表面积和良好的生物降解性，成为一种理想的载体。生物炭不仅成本低廉，还具有良好的化学稳定性和环境友好性，使其在光催化材料的制备中展现出广阔的应用前景。然而，传统的TiO?负载方法，如浸渍法结合热解，可能会导致TiO?在载体表面的团聚，或者在洗涤过程中损失大量钛元素。此外，热解炭材料的高微孔比例可能会阻碍污染物向催化剂的扩散，同时，负载的TiO?也可能堵塞载体的孔隙结构，影响其整体性能。

为克服这些限制，本研究采用了一种结合水热炭化与低氧煅烧的新工艺。水热炭化能够有效分散催化剂，并保留丰富的含氧官能团，但其制备的炭材料通常比表面积和孔隙结构不够发达。而低氧煅烧则可以将催化剂前驱体转化为TiO?，并赋予炭材料丰富的孔隙结构，从而提升其吸附和光催化性能。这两种工艺的结合，不仅避免了单一工艺的不足，还实现了对TiO?负载的优化，提高了复合材料的综合性能。

研究中使用的TiO?来源为四丁基钛酸酯，而碳源则选用玉米秸秆（corn stover, CS）。通过水热炭化与低氧煅烧相结合的方法，制备出TiO?/生物炭光催化复合材料。为了验证该方法的有效性，研究者们将其与采用浸渍法结合低氧或厌氧煅烧制备的复合材料进行了对比。实验结果显示，TiO?/生物炭复合材料在吸附和光催化降解氨气方面表现出显著的优势。在实验条件下，当氨气浓度为10 ppm时，以1 L/min的流速连续注入，仅需0.5克复合材料即可在紫外光照射下将氨气浓度迅速降低至3.73 ppm，显示出优异的吸附和降解能力。

除了吸附和降解性能，该复合材料还展现出良好的稳定性和可重复使用性。这表明其在实际应用中具有较高的可行性。研究进一步探讨了复合材料的物理化学特性，包括其比表面积、孔隙结构、表面官能团以及电子存储能力等。这些特性对复合材料的吸附和光催化性能起着关键作用。高比表面积和分层孔隙结构为氨气的吸附提供了更大的表面积和更多的吸附位点，而丰富的含氧官能团则有助于增强材料与氨气分子之间的相互作用。此外，生物炭的优异电子存储能力促进了电子-空穴对的有效分离，从而提升了光催化效率。

值得注意的是，当TiO?固定在生物炭载体上时，Ti-O-C键的形成有助于降低TiO?的带隙能量，使其对可见光的响应能力增强。这意味着该复合材料能够在更广泛的光照条件下发挥作用，从而扩大了太阳能在环境修复中的应用范围。这一特性对于实际应用尤为重要，因为自然光中的可见光成分远多于紫外光，因此提高对可见光的响应能力可以显著提升光催化材料的实用性。

从实验结果来看，该研究提出的TiO?/生物炭复合材料不仅在性能上优于传统材料，还在制备工艺上展现出环保和高效的特点。水热炭化过程能够在较低的温度下进行，减少了能源消耗和对环境的影响。而低氧煅烧则通过控制氧化条件，优化了TiO?的形成和分布，使得复合材料在保持高吸附能力的同时，也具备良好的光催化性能。这种协同效应使得复合材料在去除氨气方面表现出色，为未来环境治理技术的发展提供了新的思路。

本研究的创新之处在于，通过结合水热炭化与低氧煅烧，成功地制备出一种具有高吸附能力和光催化性能的新型复合材料。该方法不仅解决了传统负载方法中存在的团聚和孔隙堵塞问题，还提高了材料对可见光的响应能力，使其在实际应用中更加高效和环保。此外，该研究还对复合材料的物理化学特性进行了系统分析，揭示了其在吸附和降解过程中的作用机制，为后续研究提供了理论支持。

总体而言，本研究为氨气去除技术的发展提供了新的解决方案。通过将吸附与光催化相结合，不仅提高了去除效率，还拓宽了光催化材料的应用范围。同时，该方法在制备过程中更加环保，减少了对高能耗和高污染工艺的依赖。未来，随着对光催化材料研究的不断深入，这种新型复合材料有望在更多领域得到应用，为解决环境问题提供有力的技术支持。