浅析木质材料在光催化领域中的应用

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　　摘 要：木质材料的应用范围随着纳米技术发展不再仅仅局限于传统建材家具行业，其在能源储存、海水淡化和废水处理等新兴领域也逐渐崭露头角。木质材料的独特结构与成分组成，如强柔韧性、高孔隙率、高比表面积及易于调控的表面化学特性使其在光催化降解废水方面有着得天独厚的优势，为我国有机废水降解处理提供了新兴的研究方向与材料备选。
　　关键词：木质材料 光催化 废水处理
　　中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0086-02
　　光催化作为材料科学、光电化学和环境科学等多学科交叉的新兴领域。随着光催化剂的发展与突破，如可见光诱导的光催化剂研究的突破，光催化材料超亲水性的发现，超分散及可见光活性的突破，使得光催化在多个领域有了广泛应用，如有机物的降解、水和空气的净化、生态建筑材料等。但其仍存在许多亟待解决的问题，如光电子传输效率低，浓度高的废水和废气降解效果不佳；多相光催化反应机理难以得到有效清楚的解释，制约着改进新型高效催化剂的研究推进。但光催化技术以其高效安全环境友好的特性将取代传统的技术，具有广阔的发展空间。木质材料在过去几年的研究中，在抗冲击能力、导电方面等都取得了迅猛的发展，现已有文献报道做出透明木材复合材料，其光学性质（包括雾度，正向透射率）水平可高达90%以上[1]，同时木材复杂的多孔管道结构提供最佳的垂直污水通过的渠道，能够吸收大量的有机化合物，其优异的导光特性、复杂微观结构和快速運输物质的能力具备广阔的应用前景。
　　1 木质材料的处理与催化应用
　　1.1 透明木质材料制备方法
　　木材的主要成分有纤维素、半纤维素和木质素，不同的木材因结构层次的变化，表现出不同孔隙率、导热率和机械性能。制备透明木材的方法都大同小异，首先是选择强碱和具有漂白性质的混合溶液进行加热漂洗，以掏空木材中木质素。不同木材均具有相似的垂直排列通道，在聚合物渗透进相互连接孔隙的网络结构之后，木材中含有的纤维素和聚合物之间折射率不匹配，使光可以沿着纤维素和聚合物传导，最终透明木质材料显示出高透射率，且保持了良好微观结构。研究表明[2]对于聚合物的选择，需满足的要求是折射率接近1.5且具有低粘度。
　　1.2 其他木质材料制备方法
　　通过在惰性气氛中高温碳化木材，以制造低密度的生物多孔碳材料，可通过原位沉积光催化物质涂层，同时保持连续有序的通道结构；也可用化学沉积法进行物质附着处理，但若相应官能团嫁接，材料呈不稳定状态。
　　1.3 木质材料的光催化应用
　　木质材料经过改性处理之后，当光通过光催化材料时，导带中的电子吸收光子然后转移到价带，电子和空穴仍然连接在一起。在扩散作用下，光生电子和空穴被分离，所得到的具有强氧化性的空穴与染料接触，进行氧化还原反应，从而使染料分解。光催化物质与木质的复合材料提供了更大的比表面积，有效地提高了光利用效率。
　　二氧化钛作为常见的光催化剂，其光催化活性取决于二氧化钛自身的相结构和组成、颗粒尺寸、比表面积等。然而由于二氧化钛的半导体能带较宽，本身并不能满足各种类型反应的要求，经紫外线的激发后光生电子与空穴对复合几率高，光催化活性大幅下降，并且可见光的利用率低，阻碍了其实际应用。可采取贵金属修饰、制造多组分异质结、增加表面积、调控能带结构等各种途径来克服这些缺陷，以促进光吸收及增强光载流子传递速率，影响活性自由基的产生。对于如二氧化钛一类具有相同性质的光催化剂，选择与木质材料复合以增加载流子传输速率和比表面积达到提高光催化降解染料的效果，将会是木质复合材料运用的热点方向。
　　在HuiMei与其同事的研究[3]木质复合材料的可见光催化降解罗丹明B，在黑暗环境中建立吸附解吸平衡期间，木质复合材料展现了非常好的染料分子吸附效果，高吸附效率有利于光照下的催化降解，且复合材料比未符合材料相比，有效提升了2.2倍左右的的降解效率，体现了复合木质材料的高光利用效率与强光催化活性。
　　2 展望
　　就当前发展形势而言，多功能木质材料在理论与实践方面都实现了重大突破并展现了应用价值。其已经在太阳能蒸汽发电[4]可生物降解等方面相较于传统材料具有其巨大的优势，并且在不断深入研究木质材料之后，其独特性能优势如导光能力强也逐渐被发现。除此之外，相信木质材料还具有其他一些隐藏的尚未发现的优秀特性有待进一步研究。透明木材参杂或者复合其他具有光催化性质的金属氧化物会是今后木质材料光催化的研究方向之一，我们期待木质复合材料在光催化处理有机废水行业取得更辉煌的成绩并引领我们去挖掘更多的未知领域。
　　参考文献
　　[1] Li T ， Zhu M ， Yang Z ， et al. Wood Composite as an Energy Efficient Building Material： Guided Sunlight Transmittance and Effective Thermal Insulation[J]. Advanced Energy Materials， 2016：1601122.
　　[2] Jiang F ， Li T ， Li Y ， et al. Wood-Based Nanotechnologies toward Sustainability[J]. Advanced Materials， 2017：1703453.
　　[3] Hui M ， Weizhao H ， Chengxu H ， et al. A novel approach to strengthen naturally pored wood for highly efficient photodegradation[J]. Carbon， 2018：S0008622318306390-.
　　[4] Jia C ， Li Y ， Yang Z ， et al. Rich Mesostructures Derived from Natural Woods for Solar Steam Generation[J]. Joule， 2017， 1（3）：588-599.
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