手动光催化苯酚降解实验系统

在国家自然科学基金委的持续支持下，中国科学院化学研究所赵进才课题组在光催化降解有机污染物及其机理方面进行了十几年的系统深入研究，取得一系列重要研究进展。　　低浓度、高毒性、难降解有机污染物是一类普遍存在、具有长期危害性的环境污染物，用传统方法很难处理。TiO2光催化可利用洁净的太阳光驱动反应，利用环境友好的分子氧为氧化剂，是消除这类污染物最有应用前景的方法之一。TiO2耐腐蚀，光、热和化学稳定性好，是目前最好的光催化体系。但TiO2只能利用紫外光(约占太阳光5%)，由于占太阳光主要部分的可见光的激发能较低，从传统半导体光催化的带-带激发原理上很难实现同时满足导带电子活化氧和价带空穴氧化水或污染物两个必需条件的可见光反应。因此，如何实现可见光反应是对TiO2光催化原理和应用提出的一个极大挑战。　　赵进才课题组从1995年开始致力于染料污染物可见光光催化降解及其机理的研究。发现染料分子吸收可见光被激发后可以向TiO2导带注入电子实现电荷分离，通过半导体导带的媒介作用实现可见光照射下染料分子和空气中氧分子的同时活化，成功地将有机染料污染物氧化降解。揭示了一个与传统光催化有着本质区别的可见光光降解机理，该机理不涉及半导体的带-带吸收以及空穴的生成和反应，而是利用染料污染物分子吸收可见光诱发的活性自由基和分子氧的共同作用导致污染物降解。　　通过对几十种染料污染物降解的研究，发现只要染料的电子激发态电位比TiO2导带电位更负，都能实现有效的电子注入进而降解，证明了该原理的有效性和普适性。该原理还在共存无色小分子污染物的氧化降解、卤代污染物的还原脱卤以及可见光光催化合成化学品等方面有着广泛的应用前景。相关研究成果先后在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Sci. Technol.等刊物上发表系列论文。　　最近应英国皇家化学会综述期刊Chemical Society Reviews的邀请，撰写了题为“Semiconductor-mediated photodegradation of pollutants under visible-light irradiation”的综述论文 (Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 4206-4219)，系统地介绍了该课题组取得的相关研究成果。　　最近，他们在光催化活化分子氧机理研究方面取得新进展。光催化反应过程中分子氧如何活化一直是该研究领域的一个关键科学问题。他们利用同位素标记等实验研究TiO2 光催化氧化醇类分子时，发现在反应过程中醇分子中的氧原子完全被氧分子中的一个氧原子所置换(置换率99%)生成相应的羰基化合物。基于顺磁共振、氧同位素标记拉曼光谱、动力学同位素效应等实验结果，揭示了与以往贵金属等催化氧化机理完全不同的TiO2光催化氧原子转移机理(Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 6081-6084，被选为Highly Important Paper (HIP)，并作为封面论文发表)。　　在这一机理的指导下，他们进一步实现了通过TiO2表面吸附Bronsted酸来加速醇类分子的光催化转化，同时发现由于掺杂SiO2能增加酸的吸附位点，当用Bronsted酸对TiO2/SiO2复合光催化剂进行表面修饰后加速作用进一步加强。表面光谱滴定实验证实了质子能够有效促进TiO2表面形成的Ti-过氧化物中间物种的分解，进而使得表面光催化活性位点再生，因此加速了光催化循环和反应。该研究有助于深入理解TiO2光催化活化分子氧的微观机理，为今后制备新型光催化剂和调控光催化反应提供了重要的科学依据。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. (2010, 49, 7976-7979)，被选为VIP论文并作为内封面(Inside Cover)做了专门介绍，Nature China对此研究成果也做了评述 (Highlight)。

1. 文章信息标题：Enhanced photocatalytic degradation performance of BiVO4/BiOBr through combining Fermi level alteration and oxygen defect engineering页码：Chemical Engineering Journal, 2022: 137757.2. 文章链接专用链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S13858947220324423．期刊信息期刊名：Chemical Engineering JournalISSN：1385-8947影响因子：16.744分区信息：中科院一区Top JCR分区（Q1）涉及研究方向：工程技术: 化工；环境4. 作者信息：南京理工大学刘纯（首要作者），王风云（首要通讯作者），夏明珠（第二通讯作者），陈群（第三通讯作者）5. 光源型号：北京中教金源（CEL-HXF300, Beijing China Education Au-light Co., Ltd.）（300 W氙灯，可见光）、CEL-PF300-T9氙灯光源系统（集成一体，光电化学专用）附：正文和补充材料中标明了光源型号文章简介：构建氧空位（Ov）作为一种传统且有效的方法已被广泛用于提高光催化活性，但其对界面电荷转移途径的影响仍不明确。在此，我们通过简便的方法合成了 BiVO4/BiOBr-Ov (BVB-Ov) 光催化剂。随后，各种表征结果验证了通过将BiVO4与含氧空位的BiOBr（BiOBr-Ov）结合成功制备BVB-Ov复合材料。光催化降解实验结果表明，20% BVB-Ov 对土霉素（OTC）的降解率极高（91%），远高于 20% BiVO4/BiOBr（71%）。此外，从液相色谱-质谱 (LC-MS) 分析中推断出三种可能的降解途径。光电化学、光致发光 (PL) 和时间分辨 PL (TRPL) 研究表明，20% BVB-Ov 具有最快的光生载流子分离和传输速率。开尔文探针力显微镜 (KPFM) 技术和密度泛函理论 (DFT) 计算表明，氧空位的引入调节了 BiVO4 和 BiOBr 之间费米能级的相对位置。我们最终结合了 DFT 计算、能带分析、俘获实验和电子顺磁共振 (EPR) 结果，证实了氧空位的存在导致光生载流子传输路径从 II-型到 Z-型的改变。这项工作为氧空位协调界面电荷转移途径提供了见解和指导。本文亮点：1. 制备了一种新型 BiVO4/BiOBr-Ov Z-型异质结。2. 氧空位的存在导致光生载流子传输路径从 II-型到 Z-型的改变。3. 基于 DFT 计算的结果解释了内部电场和带边弯曲。4. 讨论了Z型光催化的机理。5. • O2- 和h+是OTC 降解的主要自由基。

为助力国产科学仪器发展，筛选和扶持一批优秀的科学仪器产品和企业，在中国仪器仪表行业协会、中国仪器仪表学会、北京科学仪器装备协作服务中心等单位的支持下，由仪器信息网主办、我要测网协办的“国产科学仪器腾飞行动”于2013年正式启动。秉承“国产科学仪器腾飞行动”宗旨，仪器信息网于2018年启动“国产科学仪器腾飞行动”之“创新100”项目，通过筛选一批具备自主创新能力的中小仪器厂商，借助报道、走访、调研等方式，在企业发展的关键时期“帮一把”。本期“创新100”访谈，仪器信息网走进北京镁瑞臣科技有限公司（以下简称“MC镁瑞臣”），带大家了解这家致力于光催化实验设备研发和生产的企业。 关于镁瑞臣 仪器信息网：请介绍一下MC镁瑞臣，公司创立的初衷和定位是什么？MC镁瑞臣：MC镁瑞臣是一家集科研仪器研发制造、销售、服务于一体，以光催化行业为经营主线，致力于环境清洁、新能源、新材料、碳中和纵向深入发展和横向拓展并行的高科技企业。具有中关村高新技术企业认证、国家高新技术企业认证，企业信用评级AAA级企业认证，ISO9001质量管理体系认证及多项实用新型专利和发明专利。在光催化实验设备技术研发方面不断攻克技术难题，为光催化降解污染物、光解水制氢制氧和全解水、光催化二氧化碳还原、光催化合成氨（固氮）、光催化降解VOC、甲醛等实验提供运行更稳定、操作更便捷的实验设备整体解决方案。公司创立的初衷是“改变”，定位是“立足光催化，服务全行业”。仪器信息网：请介绍一下MC镁瑞臣当前规模概况，与哪些单位建立了合作？MC镁瑞臣：MC镁瑞臣创建于2018年，目前总公司及分公司和办事处共有在职员工30余人，其中研发人员10人，每年的研发投入超过300万元，未来还将以每年营业额的10%-15%继续投入。公司主打产品小镁SPB10系列实验系统和PF300系列实验光源自2020年上市以来在全国高校、研究所已启用超过2000台，服务高校、研究所600余家，深入合作的课题组超过170个，协助超3000位客户取得科研成果和学术成就。其中，清华大学、北京大学、中科院物理所、淮北师范大学、四川电子科技大学、西安交通大学、南京航空航天大学、福州大学等数十家高校研究所与MC镁瑞臣建立了产学研项目合作关系，并取得了重大科研成果。仪器信息网：MC镁瑞臣现阶段主推的产品及型号是什么，产品/技术可应用于哪些领域？MC镁瑞臣：公司现阶段主推的产品为小镁系列实验系统，包括小镁光催化实验系统MC-SPB10，小镁微正压实验系统MC-SPB20，小镁光热催化实验系统MC-SPB30。以上小镁系列实验系统可完成光催化降解污染物、光解水制氢、制氧和全解水、光催化二氧化碳还原、光催化合成氨（固氮）、光催化降解VOC、甲醛等光催化、光电催化、光热催化，流动相和固定相相关化学实验。（小镁系列实验系统MC-SPB10、MC-SPB20、MC-SPB30）仪器信息网：与同类型产品相比，贵司产品的主要竞争优势是什么？MC镁瑞臣：小镁系列实验系统主要有以下特点：1、高度集成，一体化设计，占地面积小，节省空间；2、高自动化，自主研发电脑软件返控，全自动进样检测，简单可靠；3、高实用性，言信行果，100%实验启动，不存在不适用或不能用情况；4、高气密性，-0.1Mpa保压120小时以上；5、高效循环，自主知识产权循环系统，3-10分钟扩散均匀，保证检测精度；6、高重复性，检测数据计算误差3‰以内；7、免维护，真空玻璃阀门精简到3个，5000小时以上维护一次，真正免维护；8、免责质保，30天无条件退换，易损品180天免责质保，整机18个月免责质保。国内外同类产品一般宣传4和5气密性和循环效率，单不说参数对比的真实和客观性，作为实验系统保证气密性和检测精度是必要条件，是一个实验系统是否合格的基础标准，不应该是产品优势。如果简单概括MC镁瑞臣产品优势就是实用性强保证100%实验启用，免维护和免责质保。仪器信息网：贵司下一步在市场和产品方面有何具体计划?MC镁瑞臣：小镁系列产品目前已经有小镁光催化、小镁微正压、小镁光热，下一步还会开发小镁电催化、小镁热催化、小镁测试系统和小镁表征系统，力争把小镁打造为MC镁瑞臣的子品牌，让小镁系列产品适用于催化剂从筛选、评价到表征的全部实验条件。 对话创始人 牟涛，MC镁瑞臣创始人，毕业于中国科学技术大学计算机信息管理专业，2008年进入教育科研仪器行业中的光催化行业，曾先后担任本行业其他知名公司联合创始人、股东、执行董事、法定代表人和总经理。仪器信息网：请问当初为何选择进入这个赛道并创立这家公司，创业背后有哪些故事值得分享？牟涛：当年选择这个赛道比较偶然。随着国民生活水平的逐步提高，健康和环保两大行业蓬勃发展，2008年我毅然辞去收入稳定的计算机专业相关工作投身健康和环保行业开始创业。宏伟的理想是通过自己的努力让中国人民享受更加健康环保的“阳光、空气和水”，但没有核心技术仅仅靠经销贸易势单力薄，恰逢全球金融危机，这一次创业很快就失败了。思考了第一次创业的失败经历后，我开始寻找可以实现获得健康环保的“阳光、空气和水”的核心技术，最后在高校光催化实验室中找到了。这个行业里到处是领先于市场上所有产品的新能源、新材料和环保相关的核心技术，这些科研工作者就好比掘金者，在不断的发现更有价值的技术和材料，并把它们公之于众。如果我可以作为工具和水的提供者，那将是一份可以为之奋斗终生的事业。作为化学专业的科研工作者，他们对于实验工具的实用性和性价比有着很强烈的渴望，而当时大部分用于光催化实验的仪器设备大多来源于日本和美国，国产仿制的都寥寥无几。2010年，我开始了光催化实验设备国产化方面的创业。这次创业经历了7年，使我更深入了解了光催化行业以及教育科研行业的需求痛点和客户期望，并成功淘到人生的第一桶金。2018年，我开始了人生的第三次创业，为了铭记自己创业的初衷就是要“改变”，我给公司命名为MC镁瑞臣MerryChange，希望这是一次美好的改变。MC镁瑞臣每年投入300万元进行新产品和新技术的研发，终于在2020年一体集成的小镁光催化实验系统SPB10正式上市，也宣告属于MC镁瑞臣的小镁时代来临！为了纪念太阳能光催化第五代产品小镁光催化实验系统，MC镁瑞臣把2020年定为公司市场化元年。（太阳能光催化第一代产品“手动系统”，第二代产品“半自动系统”，第三代产品“全自动系统”，第四代产品“一体化全自动系统”，第五代产品“模式化全自动系统”）2020年作为公司元年，重建产品线，扩建团队，完善公司经营管理制度和流程，力争用3-5年时间把MC镁瑞臣打造成产品性能实用、质量过硬、服务优质，团队凝聚力强、战斗力高，流程合理、高效的优质公司，配合市场的稳步增长在光催化行业树立行业第三的市场形象，争取行业第二的市场地位。3年疫情虽然阻碍了我们快速发展，但也促使了我们3年稳步发展，MC镁瑞臣每年保持50-80%的平均增长率，核心产品小镁实验系统从仅有小镁光催化发展为小镁光催化、小镁微正压和小镁光热同时供应市场。2023年3月，新冠疫情终于宣告结束，市场完全放开，MC镁瑞臣的产品线建设已经完成并实时更新，团队逐步壮大，流程管理已经更加完善，目标是每年100%以上增长率，为客户、为合作伙伴、为每一位MC镁瑞臣人创造更加美好的明天，成就我们共同的科研人生。仪器信息网：您如何评价公司目前的发展情况，对公司未来发展有怎样的愿景，最想要实现的一件事是什么？牟涛：我对公司目前的发展情况评价是：前景光明，符合预期，目标明确，继续努力。公司的愿景是以诚信为本，抱着一颗服务用户、承载希望、回馈社会的诚心，努力改变自己、改变未来，力求在教育科研市场里用品牌和服务去成就每一位应该成功的人，与用户携手迎接更加美好、光明、快乐和充满希望的明天。我现在最想要实现的一件事就是让更多的人了解和信任MC镁瑞臣的品牌和产品，让我们的品牌和服务能够成就更多信任和支持我们的伙伴！仪器信息网：您认为企业当前面临的最大困难或挑战是什么，希望借助“创新100”获得怎样的资源或帮助?牟涛：我认为MC镁瑞臣当年面临最大的困难是市场的信任与认可。品牌积累需要时间，虽然使用过MC镁瑞臣产品的用户对我们产品后评价都很高，但是基数有限，还有很多客户没用过和不了解我们的产品，即便我们可以免费试用得到的反馈是：你跟其他家产品技术同源，他们不能用或不好用，你的产品也不会强到哪里去，不用试了！但实践是检验真理的唯一标准，MC镁瑞臣产品30天无条件退换，买错了都可以退，而且可以长时间试用，觉得不适用还可以退，客户用别人的技术标准和服务标准来衡量我们有些不客观不公平。我们坚信，随着时间的推移，使用MC镁瑞臣产品的用户数量会不断增加，终有一天会改变客户对不知名品牌和产品的态度，因为MC镁瑞臣将不再不知名，而是值得客户信赖的知名品牌。MC镁瑞臣当前面临的最大挑战是继续改变的动力，小的成功会阻碍改变，大的成功会中断改变，因为一般人在常态下都会下意识拒绝改变，觉得没有必要，认为改变会制造更多的问题，但事实是改变可以解决更多的问题，即便出现了问题也是本来就有问题，只是原来没有发现而已，而改变让问题显现才有机会解决它，完善它。MC镁瑞臣希望借助“创新100”获得更多客户的关注、了解和信任，也许我们不是行业里实力最强、技术最高、服务最好的公司，但是我们是一家负责任的公司，是想用改变去成就客户的公司，可是我们自身的力量有限，希望能获得更高维度平台的支持与扩散，帮我们把MC镁瑞臣的责任感和自信心传递给每一位需要成功的人。