8-羥基喹啉作為光催化劑在廢水處理中的可見光響應特性

8-羥基喹啉作為光催化劑在廢水處理中，其可見光響應特性源于分子結構中“羥基-喹啉環”的共軛體系對可見光的吸收，但其自身光催化活性較弱，需通過改性（如金屬配位、載體復合）增強響應能力與催化效率，具體特性及機制如下：

一、可見光響應核心基礎：分子結構與光吸收特性

8-羥基喹啉（分子式 C₉H₇NO）的可見光響應能力由其分子內電子躍遷特性決定，這是實現可見光催化的前提：

共軛體系與光吸收范圍

分子中喹啉環（含共軛雙鍵）與羥基（-OH）形成π-π共軛體系，可吸收可見光波段（400-760nm）的光子。紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）顯示，純8-羥基喹啉的最大吸收峰位于350-450nm（近紫外-可見光交界處），摩爾吸光系數約10⁴-10⁵ L/(mol・cm)，但對450nm以上的可見光吸收較弱（吸光系數降至10³ L/(mol・cm) 以下），導致其對自然光中可見光的利用率較低（僅 10%-20%）。

電子躍遷機制

可見光光子能量（1.6-3.1eV）可激發8-羥基喹啉分子中“羥基氧原子的孤對電子”向喹啉環的 π反鍵軌道躍遷（n→π躍遷），或共軛體系內的π電子向 π軌道躍遷（π→π躍遷），形成激發態分子（¹8-HQ或³8-HQ）。激發態分子可通過電子轉移產生・OH、O₂⁻等活性氧物種，或直接與廢水中污染物（如有機染料、重金屬離子）發生氧化還原反應，實現污染物降解。

二、純8-羥基喹啉的可見光響應局限：活性弱與穩定性差

純8-羥基喹啉作為光催化劑時，其可見光響應特性存在明顯不足，限制了實際應用：

光生載流子復合率高

激發態的電子（e⁻）與空穴（h⁺）易快速復合（復合壽命僅10⁻⁹-10⁻⁸s），導致活性氧物種生成量少，對污染物的降解效率低，例如，在可見光照射下（λ＞420nm），純8-羥基喹啉對羅丹明B的降解率僅為20%-30%（60min 內），遠低于商業化光催化劑（如TiO₂/石墨烯，降解率＞90%）。

可見光吸收范圍窄

僅能有效吸收450nm以下的近紫外-可見光，對450-760nm的中長波可見光吸收微弱，而自然光中該波段占比達60%以上，導致光利用率低，實際廢水處理中需額外搭配紫外光源，增加能耗與成本。

穩定性差易溶出

8-羥基喹啉在水中有一定溶解度（約0.1-0.5g/L），光催化過程中易從催化劑表面溶出，不僅導致催化劑流失，還可能引入新的有機污染物，造成二次污染。

三、增強8-羥基喹啉可見光響應特性的改性策略

通過“金屬配位改性”“載體復合改性”等方式，可拓展其可見光吸收范圍、降低載流子復合率，提升可見光催化性能：

1. 金屬配位改性：構建“8-羥基喹啉-金屬”配合物，拓展光吸收與活性

8-羥基喹啉的羥基（-OH）與氮原子（-N-）可與金屬離子（如Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）形成穩定的螯合物（如8-羥基喹啉銅 Cu (Q)₂、鋅Zn (Q)₂），顯著改善可見光響應特性：

拓展可見光吸收范圍：金屬離子的d軌道與8-羥基喹啉的共軛體系形成新的雜化軌道，使配合物的最大吸收峰紅移至450-600nm，可吸收中長波可見光，例如，Cu (Q)₂的最大吸收峰為550nm，對500-600nm 可見光的吸光系數提升至5×10⁴ L/(mol・cm)，光利用率提高至 40%-50%。

抑制載流子復合：金屬離子可作為電子捕獲中心，捕獲激發態電子（e⁻），減少e⁻與h⁺的復合，促進活性氧物種生成。如Fe³⁺配位的8-羥基喹啉（Fe (Q)₃），光生載流子復合壽命延長至 10⁻⁷-10⁻⁶s，・OH生成量比純8-羥基喹啉增加3-5倍，對四環素類抗生素的降解率達80%以上（可見光照射60min）。

2. 載體復合改性：依托載體提升穩定性與光響應效率

將8-羥基喹啉或其金屬配合物負載于高比表面積載體（如TiO₂、g-C₃N₄、蒙脫石）表面，可解決溶出問題并增強可見光響應：

提升穩定性與分散性：載體可通過氫鍵、范德華力或化學鍵將8-羥基喹啉固定，減少溶出（溶出量降至 0.01g/L 以下）；同時載體的高分散性避免8-羥基喹啉分子團聚，增加光吸收位點，例如，8-羥基喹啉銅負載于g-C₃N₄表面，在循環使用5次后，降解率仍保持75%以上，遠高于純Cu (Q)₂（僅 40%）。

構建異質結，增強載流子分離：若載體為半導體（如TiO₂、ZnO），8-羥基喹啉與載體形成異質結結構，可見光激發的電子可從8-羥基喹啉轉移至載體的導帶，空穴留在8-羥基喹啉的價帶，實現載流子高效分離，例如，8-羥基喹啉/TiO₂復合催化劑，可見光下對Cr (VI) 的還原率（將Cr (VI) 轉化為低毒Cr (III)）達95%，是純8-羥基喹啉的6倍。

3. 摻雜改性：引入非金屬元素，調節電子結構

在8-羥基喹啉分子或其配合物中摻雜N、S、P等非金屬元素，可改變共軛體系的電子云密度，紅移吸收光譜：

如硫摻雜的8-羥基喹啉鋅（S-Zn (Q)₂），S原子取代喹啉環上的C原子，使分子的最高占據軌道（HOMO）能量升高，最低未占據軌道（LUMO）能量降低，禁帶寬度從純Zn (Q)₂的2.8eV降至2.4eV，可吸收波長≤517nm的可見光，對甲基橙的降解率提升至70%（可見光照射60min）。

四、可見光響應特性的實際應用場景與優勢

改性后的8-羥基喹啉光催化劑，憑借其對可見光的響應能力，適合處理兩類廢水：

有機污染物廢水：如印染廢水（含羅丹明B、甲基橙）、制藥廢水（含四環素、頭孢類抗生素），可見光激發產生的活性氧物種可氧化分解有機分子，礦化率達60%-80%；

重金屬廢水：如含Cr (VI)、Pb²⁺的工業廢水，光生電子可將高毒Cr (VI) 還原為低毒 Cr (III)，8-羥基喹啉的配位基團還可螯合 Pb²⁺，實現“降解+固定”雙重作用。

與傳統紫外光催化劑（如純TiO₂）相比，其優勢在于：可直接利用自然光或低成本可見光LED 光源，無需紫外燈，能耗降低 50%以上，且改性后穩定性提升，適合大規模連續處理。

8-羥基喹啉的可見光響應特性源于其共軛體系的電子躍遷，但純品存在吸收范圍窄、活性弱、易溶出的局限。通過金屬配位、載體復合、非金屬摻雜等改性策略，可顯著拓展其可見光吸收范圍（至450-600nm）、抑制載流子復合、提升穩定性，使其成為高效的可見光響應光催化劑，在低成本、環保型廢水處理中具有良好應用潛力。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網 http://www.c7lunwen.cn/