合肥工业大学 安徽合肥 230002
摘要：随着环境当中的污染物排放量逐渐的增大，传统自然降解的速率已经远小于污染物的产生速率，环境当中的污染物产生积累[1]。传统的污染物降解效率现在不足以解决现有的问题。为此，我们需要一种工具来加速分解环境当中的污染物，而环境材料的出现便可有效的解决。环境材料中光催化材料是当今解决环保问题的重要手段，本文通过简介二氧化钛、氧化石墨烯、氮化碳等作为光催化代表材料，并讲述材料表征的一些具体方法与材料研究的内容相结合。
关键词：光催化材料；环境污染；去除；
一、前言
随着社会经济和现代工业的进步，人们的生活水平在逐步的提高，但与此同时带来的环境问题的日益严重，水污染、大气污染、土壤污染等严重的威胁人类的身体健康和生命安全，其中水污染问题尤其突出。水环境中沙门氏菌、念珠藻、致病性大肠杆菌等对人体生命健康造成极大的危害。这些细菌或病毒主要来源于医院废水，生活污水及养殖场排放的污水。水中的病菌一方面会危害水生生物，另一方面当人体再次接触到此类废水，由于自身抵抗力的原因，可能会引发各种疾病。此外大气土壤中由于冲刷作用会导致病原体很容易进入水体当中造成传染病大规模的传播。因此选取合适的杀菌方式很有必要。
在传统去除污染物，细菌和病毒的方式中有氯化消毒法，紫外消毒法等，但由于其使用方法受到限制或者不经济不环保效率不高等原因导致其应用受到限制，目前去除污染物的有效手段之一是高级氧化技术。高级氧化技术分为光催化氧化法、臭氧氧化法、超声氧化法、湿式氧化法和超临界水氧化法，其中光催化氧化技术由于其氧化性好，易于操作等特点应用广泛，在光催化氧化当中使用的材料称为光催化材料。
二．光催化材料的原理和种类
2.1光催化材料的原理
环境材料的种类也是多种多样，在众多环境材料当中，光催化材料表现出优良的性质。光催化材料是利用高级氧化技术光催化的原理，光催化剂被紫外光线的光子碰撞所引发的化学反应，这些光子使光催化剂表面的电子变得活跃起来，如果光子的能量大于价带，会使电子去导电带，一旦电子被导电带吸收，会在价带上形成形成一个正电的空穴。这些活跃的电子会在导电带上与氧气发生反应生成超氧游离基（O=2）或氢过氧化物自由基（HO2），这些活性氧（ROS）用来降解污染物为H2O和CO2。当反应发生时，水中的氧会取代价带上的空穴，这个反应产生羟基自由基和氢离子（H+），羟基自由基会与污染物反应生成H2O和CO2。因此光催化的过程是以产生ROS的过程来降解污染物。
2.2光催化材料的种类
而光催化材料的不同种类其降解方式也均有差异，光催化材料可以大致分为金属/金属氧化物材料，非金属氧化物材料，纳米材料以及复合材料等。作为光催化材料的代表必然是二氧化钛，因其材料性能稳定，无毒性以及低成本被应用最为广泛的光催化材料之一[2]。但TiO2抗菌的瓶颈是太阳能利用率低，因其带隙较大，宽带隙光催化剂中的电子只有在紫外光下才能被激发，因此需要额外的能量来激发电子；同时它快速的电荷载体重组，都是TiO2的短板，为解决TiO2缺陷的做法是通过金属/金属氧化物修饰或将TiO2的光响应扩展到可见光区，通过构成复合材料的做法较为普遍。与二氧化钛能够结合的金属/金属氧化物有很多，如金、纳米银等。
氧化石墨烯（GO）作为石墨烯的氧化物，其材料结构为单一的原子层，其性质也是很独特，由于其优异的结构、性能等在各个方面应用的潜力都是很大。因其具有二维的结构在光催化实验的当中经常用金属/金属氧化物或纳米材料对其进行复合，来增强其去除能力。二维石墨相氮化碳（ ）和氧化石墨烯具有相似的结构，将颗粒石墨相氮化碳再经过马弗炉煅烧处理得到二维氮化碳，二维氮化碳同氧化石墨烯的性质，通常作为复合材料的主体结构，将其他材料复合在上面；如将壳聚糖作为抗菌剂，通过戊二醛的交联作用将壳聚糖附着在氮化碳表面，合成壳聚糖/氮化碳复合材料[3]。
纳米材料具有较大的比表面积和表面积，因此具有优良的吸附性能和高还原性。这些性能归功于纳米材料具有较小粒径产生的独特表面效应。通常是将纳米材料与金属氧化物或非金属氧化物复合来提高单一的反应性，达到更高光催化效率的目的。而经过多种材料的复合之后，主体材料本身的结构可能会发生一定的变化，因此在材料方面的深入研究必须对研究的每种材料进行表征。
三．材料表征实验
3.1 SEM扫描电子显微镜
SEM是通过成像观察样品的表面形态，这种成像是介于光学显微镜和透射电镜之间观察样品微观形态的方法。SEM利用样品表面的物理性能而呈现出的微观成像，是利用高能的入射电子轰击材料的表面，展现出材料的形貌，组成，晶体结构等信息。同时SEM具有较高的放大倍数，可直接的观察样品的细微结构。
3.2 FT-IR光谱表征
红外光谱的作用是用于分析分子的结构和化学键的一种常用方法，可以初步鉴定分子的化学键及官能团。通过不同的官能团会反映出不同的吸收光谱表现特有的吸收峰原理，来推断大分子可能存在的关键官能团；红外吸收带的波长和强度则会反映分子结构特点，可以参照鉴定物质结构或化学基团，对其进行定性的分析。其操作简单，测试方便，已广泛应用到物质结构分析当中。
3.3 XPS
X-射线光电子能谱是一种高敏感分析材料表面的技术，在研究材料表面组分和化学形态上十分有效。通过根据不同元素的XPS峰面积及元素自身的敏感系数来完成的定量分析。Ｘ射线光电子能谱的原理是用Ｘ射线照射样品，使样品中原子或分子的内层电子或价电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布，通过与已知元素的原子或离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可以确定未知样品表层中原子或离子的组成和状态。
3.4 XRD光谱表征
XRD是可以定性或定量的测定分析物相，也可以测结晶度，残余压力，粒径大小等，能够穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光，气体电离。Ｘ射线衍射仪是利用晶体对Ｘ射线的衍射，分析物质内部原子在空间分布状况的结构分析方法。Ｘ射线衍射法是最常用的一种物相结构分析的方法。利用Ｘ射线衍射仪可以研究纳米材料的晶粒度、结晶度及其微区、薄膜、包层的物相组成。
展望与总结
本文简介了光催化材料的原理，种类以及对其进行研究表征的手段。光催化材料是当下最受人们欢迎的材料之一，其有效的降解速率和对环境友好型的特点会逐渐的普及到人类生活当中的各个方面，可谓是最具有光明的环境材料。
参考文献：
[1]田冉黎.湿地自然保护区生态环境现状及保护措施[J].绿色科技，2019（06）：22-23.
[2]Cristiane N.Fernandes，Ruan L.S.Ferreira，Ricardo D.S.Bernardo，Francisco Avelino，Alexandre A.Bertini.Using TiO 2 nanoparticles as a SO 2 catalyst in cement mortars[J].Construction and Building Materials，2020，257.
[3]Wenchao Yu，Sihui Zhan，Zhiqiang Shen，Qixing Zhou.A newly synthesized Au/GO-Co 3 O 4 composite effectively inhibits the replication of tetracycline resistance gene in water[J].Chemical Engineering Journal，2018，345.