高級(jí)氧化技術(shù)是基于羥基自由基（?OH）強(qiáng)氧化性發(fā)展而成的深度水處理技術(shù)，包括光催化、臭氧氧化、芬頓反應(yīng)、濕式催化氧化等。其中，光催化可將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，氧化分解有機(jī)物，有望直接利用太陽光發(fā)展清潔凈水工藝，因而廣受關(guān)注。然而，光催化氧化有機(jī)物能力極弱、反應(yīng)時(shí)間久，制約其工業(yè)化應(yīng)用。目前光催化研究多采用氧分子（E⁰ = 1.23 V）捕獲光生電子，而臭氧分子（E⁰ = 2.07 V）捕獲光生電子能力更強(qiáng)，可有效降低電子與空穴復(fù)合率，同時(shí)光生電子可加速臭氧自分解，促進(jìn)生成活性自由基，增強(qiáng)過程的礦化能力。近兩年來，中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所過程污染控制環(huán)境工程團(tuán)隊(duì)副研究員謝勇冰致力于將光催化與臭氧氧化耦合，構(gòu)建一種氧化效率更高的催化臭氧-光氧化水處理新技術(shù)。

　　2015年，該研究小組發(fā)表“催化臭氧-光耦合技術(shù)”主題綜述（Chemosphere 2015, 121, 1-17doi:10.1016/j.chemosphere.2014.10.072）。首次對(duì)該過程的催化材料、反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)、操作參數(shù)、動(dòng)力學(xué)、內(nèi)在機(jī)理、經(jīng)濟(jì)可行性、發(fā)展趨勢(shì)等展開全面深入探討，為該領(lǐng)域的科研工作者提供理論指導(dǎo)。同時(shí)率先提出將石墨相氮化碳（g-C₃N₄）用于催化臭氧-光催化過程，構(gòu)建（太陽）可見光/臭氧/g-C₃N₄深度礦化技術(shù)。g-C₃N₄可引發(fā)光催化與臭氧氧化之間的超強(qiáng)耦合作用，針對(duì)目標(biāo)污染物及TOC去除的耦合因子高達(dá)20（Catal. Commun. 2015, 66, 10-14 doi:10.1016/j.catcom.2015.03.004）。

　　g-C₃N₄導(dǎo)帶底位置偏高，光生電子還原能力更強(qiáng)，強(qiáng)化臭氧分子捕獲光生電子過程，協(xié)同促進(jìn)電子-空穴分離及臭氧自分解生成?OH。在相同的光強(qiáng)下，可見光/臭氧/g-C₃N₄的氧化能力明顯強(qiáng)于紫外光/臭氧/g-C₃N₄，并提出了可見光及紫外光下不同的自由基生成機(jī)制（Appl. Catal. B: Environ. 2016, 181, 420-428doi:10.1016/j.apcatb.2015.08.020）。在此基礎(chǔ)上，他們成功研發(fā)第二代蜂巢狀多孔g-C₃N₄催化劑，可見光催化活性顯著提高。通過結(jié)合自由基淬滅實(shí)驗(yàn)及電子自旋共振波譜揭示耦合過程活性自由基的演變規(guī)律，并結(jié)合中間產(chǎn)物檢測(cè)提出污染物全程礦化路徑（Appl. Catal. B: Environ. 2016, 183, 417-425doi:10.1016/j.apcatb.2015.11.010）。

　　該系列工作首次構(gòu)建可見光/臭氧/g-C₃N₄高級(jí)氧化有機(jī)物降解平臺(tái)，有望直接利用太陽光發(fā)展高效、清潔、低成本凈水工藝，并對(duì)耦合氧化催化劑開發(fā)、自由基演變及有機(jī)物深度氧化機(jī)理具有指導(dǎo)意義。以上工作申請(qǐng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利和國(guó)際發(fā)明專利各一項(xiàng)，工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 21207133）、國(guó)家杰出青年基金（No. 51425405）資助，主要工作由博士生肖家棟完成。

　　Vis、O₃及Vis-O₃體系催化降解草酸反應(yīng)速率常數(shù)（a）；不同臭氧用量對(duì)Vis-O₃深度氧化對(duì)羥基苯甲酸的影響（b）

可見光、紫外光耦合臭氧生成自由基示意圖