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一周研发资讯汇总（20251117-20251123）

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https://www.jaea.go.jp/02/press2025/p25111001/

https://doi.org/10.1021/jacs.5c10564

本文3235字，阅读约需10分钟

摘要：研究小组将用作光催化剂的氧化钨微粒固定在像海绵一样能吸水并保持形状的多孔凝胶中，开发出一种“光催化凝胶”，在高盐分环境中同时实现了抑制光催化微粒的团聚，以及保持光催化剂与有机物之间的接触，从而提高分解效率。

关键词：光催化剂、高盐分水体、多孔凝胶、团聚抑制、水处理

要点

工厂等排放的废水中含有难以分解的有机物“顽固污垢”，必须去除这些物质才能保证水质。高盐分（盐类）水中有机物的存在是导致工业废水处理和海水淡化过程中试剂消耗量高、处理成本高的原因之一。利用光能帮助分解物质的光催化技术是一种环境友好型方法，但现有的材料存在在高盐分环境中效果不佳的问题。
研究小组将用作光催化剂的氧化钨微粒固定在像海绵一样能吸水并保持形状的物质（多孔凝胶）中，开发出一种“光催化凝胶”。由于这些颗粒分散并保持在半透明凝胶中，因此能够保持易于与污垢发生反应的状态。研究小组证实，即使在高盐分环境中，这种凝胶也能够分解污垢，并且其分解效率比传统材料高出4～13倍。
未来，研究小组将致力于提升光催化材料的性能，使其能够在高盐分水环境中发挥作用，并开发一种在各种溶液条件下都能稳定使用的材料。目标建立一种不需要使用特殊试剂的水净化方法，并将其发展成为一种可持续的水处理技术。

概要

在工业废水、污水、海水等水处理的现场，为了去除大量的盐分，通常使用膜处理技术。在这种情况下，当水中含有有机物时，就会堵塞膜，因此需要事先去除有机物。然而，当尝试从高盐分处理水中去除不需要的有机物时，使用臭氧处理或氧化剂等方法的分解效率较低，仍然存在水处理所需的试剂消耗量增加和水处理成本升高等问题。

光催化剂是一种能够通过照射光强力分解周围化合物的材料。利用光催化剂的水处理，作为一种利用光将有机物分解为水和二氧化碳等的环境友好型技术而备受关注。然而，在盐分或共存离子较多的水环境中，光催化剂与有机物之间的反应会受到盐分和离子的阻碍，导致性能非常低。因此，尤其是在海水或含有大量工业废水等盐分的条件下，光催化剂的应用非常困难。此外，粉末状光催化剂本身难以使用，若将其固定使用，光催化剂颗粒与污垢接触的概率会降低，从而导致分解效率大幅下降。

研究小组开发出一种将氧化钨（WO₃）混入含水多孔凝胶（水凝胶）中的新型材料——“光催化凝胶”。该凝胶由于采用了半透明且具有狭窄而复杂的水通道的结构，因此即使在盐分或共存离子较多的条件下，仍能保持透光性以及光催化剂和有机物容易接触的特性。研究小组对靛蓝胭脂红（一种用于测试光催化性能的着色剂）进行了分解实验，结果表明，即使在高浓度氯化钠（NaCl）和硫酸钠（Na₂SO₄）存在的情况下，该凝胶的分解效率也比传统材料高出4～13倍。这种光催化剂凝胶采用一种名为“冷冻交联法”的简单合成方法制成，通过将原料冷冻，并在解冻时加入有机酸，使得凝胶不易破裂。该材料的另一优势在于，不仅可以轻松制成大面积和各种形状，还容易从实验室规模扩展到实际应用规模。

未来，研究小组将致力于提高该材料的耐久性和长期连续运行能力，以实现实际应用，并计划将其应用于工业废水处理，为国际水环境问题和“安全饮用水和卫生设施”的联合国可持续发展目标做出贡献。

研究背景

在化工厂和海水淡化厂，必须使用反渗透膜等处理含有大量NaCl和硫酸盐等物质的水。当这些高盐分水中存在有机物时，污垢会堵塞膜，需要进行清洗或更换。膜的清洗和更换所需的高昂成本最终会体现在产品价格或水费中，从而影响到运行的稳定性以及安全用水的供应。

此外，化学氧化剂和臭氧分解法常用于去除含有大量盐分的水中有机物，但其效率通常低于非盐水。同时，这些方法还存在药品的消耗量大，带来环境风险，以及处理成本较高的问题。虽然这取决于地区和工艺条件，但近年对实际工厂的分析结果表明，膜污染成本约占运营成本的24%。此外，膜脱盐技术的成本分配分析也表明，化学药品的成本约占12%。因此，开发一种即使在高盐分水中也能分解有机物的新技术，对于支持工业可持续发展和安全供水具有重要的社会意义。

利用光催化剂的水处理技术只需光照即可将有机物分解成水和二氧化碳等物质，因此作为一种安全且环境友好型技术而备受关注。然而，在水中盐分或离子浓度较高的条件下，例如工业废水或海水中，粉末状光催化剂颗粒容易相互粘连成团（团聚），或者离子会干扰光催化剂与有机物之间的反应，导致光催化性能显著下降。另一方面，当将光催化剂固定在平板等基材上以防止团聚时，与粉末状光催化剂相比，可参与反应的颗粒表面积会减少，从而导致反应效率大幅降低。虽然也开发了以多孔凝胶为支撑光催化剂的基底的材料，但存在诸多问题，例如反应效率和耐久性并未得到有效改善，以及合成方法复杂且成本较高，仍然处于研究阶段。

如果在高盐分水中也能使用光催化剂，则无需使用化学药剂或特殊设备即可轻松分解有机物，从而有望通过减少二次废弃物来为环境保护做出贡献。在高盐分条件下发挥作用的光催化材料不仅在基础研究中具有重要意义，在社会层面也有着巨大的需求。

研究成果

众所周知，传统的粉末状或薄膜状光催化材料（图1左）在溶液中的盐离子作用下，颗粒会发生团聚，且反应受到抑制，从而导致有机物分解效率显著降低。

因此，研究小组重点研究了水凝胶。在制备过程中，水凝胶内部会形成宽度相当于一两根头发（100-200µm）的复杂水通道，使其能够在高盐分水中将有机物吸附到其凝胶表面（图1右）。使用这种水凝胶的光催化凝胶将产生以下效果：①通过将光催化微粒分散并固定在凝胶内部，抑制颗粒的团聚，并有效保持了光催化剂与有机物之间的接触；②在高盐分水中，有机物更容易吸附在凝胶表面，从而提高分解效率。

图1 传统光催化材料（左）与本研究开发的光催化凝胶（右）之间的差异

本研究中，研究小组将一种典型光催化剂——三氧化钨（WO₃）与羧甲基纤维素纳米纤维（CMCF）混合，通过冷冻后将其浸入柠檬酸溶液中进行解冻的“冷冻交联法”合成了光催化凝胶。一般而言，将WO₃等金属氧化物均匀固定在水凝胶内部较为困难。研究小组利用CMCF的特性——搅拌时变软，静置时硬化——将WO₃以分散的状态固定在其中。

研究小组进行了扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）观察。结果证实，在合成的光催化凝胶内部形成了一个100～200µm规模的通道，并且WO₃粉末均匀地固定在其内壁上（图2）。研究小组还通过中子小角散射装置（SANS-J,PNO）分析了WO₃颗粒在整个光催化凝胶中的团聚程度。结果表明，WO₃颗粒均匀地固定在整个凝胶中，没有形成大的团聚体。研究小组推断，这形成了一个反应场，有机污染物可以有效地与光催化剂接触。

图2 光催化凝胶的SEM图像（左）与固定在光催化凝胶内壁上的WO3的EDX图像（右）。WO3固定在右图中的绿色和白色区域。

研究小组使用靛蓝胭脂红（一种蓝色染料）作为模型有机污染物，对水中的有机物进行了分解试验。在不含盐分的水中，与WO₃粉末悬浮液（粉末状）和WO₃固定化玻璃材料（薄膜状）相比，光催化凝胶表现出了优异的分解效率。此外，即使在盐分（硝酸钠（NaNO₃）、NaCl、磷酸二氢钠(NaH₂PO₄）和Na₂SO₄）浓度较高（100mmol L⁻¹）条件下，光催化凝胶的分解效率也比传统的WO₃粉末和玻璃固定化材料高4～13倍。虽然盐分会降低分解效率，但有趣的是，研究小组发现了光催化凝胶的一个特殊性质：在NaNO₃和Na₂SO₄共存的情况下，分解效率不仅没有降低，反而有所提高（图3）。

图3 粉末状、薄膜状和光催化凝胶在水中对靛蓝胭脂红染料的保留率（反应后的染料浓度）的比较（左）；以及染料分解实验的情况（右，光照射前）

总结与未来展望

本研究开发的含WO₃的光催化凝胶克服了以往“在高盐分水中性能下降”的问题。该材料展现出其成为下一代水净化材料的潜力，可用于实际工业废水和海水处理，并为“高盐分水中的光催化剂设计”提供了新的指南。该材料的另一优势在于，可利用冷冻交联法相对容易地制备成大面积、各种形状的材料，并且易于从实验室规模扩展到实用规模。

利用水凝胶提高富盐水中反应效率的方法将为开发可在各种溶液条件下发挥作用的新型光催化材料开辟道路。未来，研究小组计划将应用范围扩展到工业废水和海水，并将致力于提高耐久性和长期连续运行能力，以期实现实际应用。

水处理是一种去除难处理核素（例如放射性碘物种（I-129）和有机碘）的必要技术，即使在核设施的后处理过程中也是如此。本研究成果有望推动水处理技术的进步，并为实现可持续水处理奠定基础。

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