用于绿色氢气生产的水电解器中多相流的多尺度建模

《Materials Reports: Energy》：Multi-scale modeling of the multi-phase flow in water electrolyzers for green hydrogen production

光催化降解吡虫啉（IMI）的研究中，通过羧甲基纤维素（CMC）调控BiOCl纳米片生长，成功制备超薄BiOCl（UT-BiOCl）。实验表明UT-BiOCl在80分钟内实现99.9%的IMI降解效率，是普通BiOCl的2.4倍，且具有优异循环稳定性（5次循环后降解率仍达90%）。CMC调控显著提升电荷分离效率并促进活性物种（·O??、·OH、h?）生成，为生物质辅助合成高效光催化剂提供新策略。

　　在当今环境问题日益突出的背景下，农药污染已成为全球关注的焦点之一。特别是新型杀虫剂——吡虫啉（imidacloprid，简称IMI）的广泛应用，其残留对生态系统和人类健康带来了潜在威胁。IMI作为一种新型的烟碱类杀虫剂，因其高效的杀虫性能而被广泛用于农业领域，然而其高毒性、持久性和对生物降解的抵抗性，导致其在环境中长期积累，进而引发一系列生态与健康问题。因此，寻找一种高效、环保且可持续的IMI去除技术显得尤为迫切。

在众多可能的解决方案中，光催化降解技术因其独特的优势而备受青睐。该技术利用光能激发催化剂表面的电子，产生具有强氧化能力的活性物质，从而实现对污染物的高效分解。与传统的物理和化学处理方法相比，光催化技术具有成本低、操作简便、环境友好等特点。然而，现有的光催化技术在实际应用中仍面临一些挑战，如反应效率较低、处理时间较长以及污染物的完全矿化程度不足。这些问题限制了光催化技术在处理复杂有机污染物方面的应用潜力。

为了解决上述问题，近年来科学家们不断探索新型的光催化剂材料，并尝试通过材料结构的优化和功能化改性来提升其性能。其中，二维层状材料因其可调节的带隙宽度、较大的比表面积和丰富的活性位点，被认为是光催化领域的重要发展方向。BiOCl作为一种具有独特层状结构的光催化剂，因其合适的带隙宽度和良好的光响应特性而受到广泛关注。然而，BiOCl在实际应用中仍存在一些不足，如光生载流子的快速复合、量子效率较低等问题，影响了其在光催化降解中的表现。

针对这些问题，研究者们开始尝试通过引入生物大分子作为辅助材料，以改善BiOCl的光催化性能。其中，羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose，简称CMC）作为一种天然的高分子材料，因其良好的生物相容性、可调控的表面性质以及丰富的官能团而被广泛应用于材料科学和环境工程领域。CMC分子链上的羧基、羟基等官能团不仅可以与催化剂表面发生相互作用，从而抑制催化剂颗粒的团聚，增加其比表面积和活性位点数量，还能够通过改变催化剂表面的电子云分布或构建电荷转移层，促进光生电子与空穴的有效分离，降低其复合概率，从而提升光催化效率。

基于此，本研究提出了一种利用CMC调控BiOCl生长过程，进而合成具有优异光催化性能的超薄BiOCl纳米片（UT-BiOCl）的新方法。通过溶剂热法合成的UT-BiOCl在模拟太阳光照射下，能够在80分钟内实现对IMI的99.9%降解率，其降解效率是原始BiOCl的2.4倍。此外，UT-BiOCl在五次循环使用后仍能保持超过90%的降解效率，显示出良好的稳定性和重复使用性。这一成果不仅为光催化技术的实际应用提供了新的思路，也为未来高效、多功能光催化剂的设计与开发奠定了坚实的基础。

为了进一步探究UT-BiOCl优异性能的来源，本研究还通过深入的电化学分析和理论计算，揭示了CMC在调控BiOCl生长过程中所发挥的关键作用。实验结果表明，CMC的引入显著降低了BiOCl的电荷转移电阻，从而促进了光生电子与空穴的高效分离和转移。同时，理论计算进一步支持了这一结论，显示了CMC对BiOCl表面电荷分布的调控作用，有助于形成更多的活性位点，提升其光催化反应的效率。

此外，本研究还通过多种实验手段验证了UT-BiOCl在光催化降解IMI过程中的活性物种生成情况。结果显示，UT-BiOCl能够有效促进超氧自由基（·O??）、羟基自由基（·OH）和空穴（h?）等活性物种的生成，这些物种在降解IMI的过程中起到了关键作用。通过进一步的光催化反应机理研究，我们发现UT-BiOCl在降解IMI的过程中，不仅能够快速分解其分子结构，还能够将其进一步矿化为无害的产物，从而有效降低其对环境的潜在危害。

在实验方法上，本研究采用了一种简单而高效的溶剂热法合成UT-BiOCl。首先，将Bi(NO?)?·5H?O和KCl按一定比例混合，形成前驱体溶液。随后，将该溶液置于合适的Teflon-lined不锈钢反应釜中，在220°C下进行24小时的水热反应。通过调整CMC的添加量，我们成功制备了不同形貌的BiOCl材料。其中，添加CMC的样品表现出显著的结构变化，形成了超薄的纳米片结构，这一结构不仅增加了催化剂的比表面积，还为光生载流子的高效迁移提供了更广阔的通道。

在表征方面，本研究通过X射线衍射（XRD）技术对合成材料的晶体结构进行了分析。结果显示，UT-BiOCl的XRD图谱与原始BiOCl的图谱相比，显示出更清晰的峰形和更高的结晶度，这表明CMC的调控作用不仅改变了BiOCl的表面形貌，还对其晶体结构产生了积极影响。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的观察，我们进一步确认了UT-BiOCl的纳米片结构特征，其厚度仅为几纳米，这为光催化反应提供了更高效的光吸收和反应界面。

在性能测试中，本研究采用了模拟太阳光照射下的光催化降解实验。实验结果表明，UT-BiOCl在80分钟内能够实现对IMI的99.9%降解率，这一效率显著高于原始BiOCl。为了进一步验证这一结果的可靠性，我们还进行了多次重复实验，并通过高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对降解产物进行了分析。结果显示，IMI在UT-BiOCl的催化作用下，能够被有效分解为一系列中间产物，最终矿化为无害的CO?和H?O等物质，这表明UT-BiOCl不仅具有高效的降解能力，还能够实现污染物的完全矿化。

除了降解效率的提升，UT-BiOCl在稳定性方面的表现同样令人印象深刻。通过多次循环实验，我们发现UT-BiOCl在五次循环使用后仍能保持超过90%的降解效率，这表明其在实际应用中具有良好的重复使用性能。这一稳定性不仅来源于其优异的结构特性，还与其表面官能团的修饰有关。CMC的引入不仅改变了BiOCl的表面化学性质，还增强了其在反应过程中的结构稳定性，使其能够经受住多次光催化反应的考验。

在光催化反应机理的研究中，我们发现UT-BiOCl的高效性能与其表面活性物种的生成密切相关。通过自由基捕获实验和电子自旋共振（ESR）技术，我们确认了UT-BiOCl在降解IMI过程中主要依赖于·O??、·OH和h?等活性物种的协同作用。这些活性物种能够有效地攻击IMI分子，破坏其化学键，从而实现其降解。此外，通过电化学测试，我们发现UT-BiOCl的电荷转移效率显著提升，这表明其能够更有效地将光生载流子分离并传递至反应界面，从而提高反应效率。

本研究的意义不仅在于提出了一种新的光催化剂合成方法，还在于为解决农药污染问题提供了一种可行的解决方案。通过CMC的调控作用，我们成功制备了具有优异光催化性能的UT-BiOCl，其在降解IMI方面的表现远超传统材料。这一成果不仅展示了生物大分子在光催化剂设计中的巨大潜力，还为未来高效、环保的光催化技术发展提供了新的方向。

展望未来，随着光催化技术的不断进步，其在环境治理中的应用前景将更加广阔。然而，仍有许多挑战需要克服，例如如何进一步提升催化剂的稳定性和循环使用性能，如何优化其对不同污染物的降解能力，以及如何降低其制备成本，使其在实际应用中更具经济性和可行性。此外，光催化反应的机理研究仍需深入，以期更全面地理解催化剂性能的提升机制，并为设计更高效的光催化剂提供理论支持。

本研究的结果表明，CMC作为一种天然的高分子材料，不仅能够有效调控BiOCl的生长过程，还能够显著提升其光催化性能。通过这种生物辅助合成方法，我们成功制备了具有优异性能的UT-BiOCl，为解决IMI污染问题提供了一种新的思路。未来，我们计划进一步探索CMC与其他光催化剂的协同作用，以期开发出更加高效、多功能的光催化剂材料。同时，我们也将关注这些材料在实际环境中的应用效果，推动其从实验室研究向实际工程应用的转化。

总之，本研究通过引入CMC作为调控剂，成功制备了具有优异光催化性能的UT-BiOCl，并验证了其在IMI降解中的高效性。这一成果不仅为光催化技术的发展提供了新的方向，也为解决农药污染问题提供了切实可行的解决方案。通过进一步的研究和应用探索，我们相信UT-BiOCl及其类似的生物辅助合成材料将在未来的环境治理中发挥更加重要的作用。