新房裝修后，“晾房排毒”成了必經程序。簡單的通風、放置綠植、購置空氣凈化器、用活性炭等吸附除甲醛……可謂是能想到的、能做到的方法基本全都用上。但甲醛的揮發是一個持續的過程，活性炭吸附等傳統處理甲醛的方法很難從根本上解決問題。
民眾關心的問題自然也成為科學家們致力于解決的問題。“操作簡單、能耗低、無二次污染、效率高，這些光催化技術的特性，使得該技術被認為是解決這一問題的最佳手段之一。”華東理工大學張金龍教授團隊圍繞光催化研究中如何拓展光催化材料的可見光利用效率和提高光催化量子產率這兩個最關鍵的科學問題，開展了十余年系統深入的研究。日前，張金龍教授領銜的高效光催化材料的制備及其機理研究項目，獲得2017年上海市自然科學一等獎。
“新房裝修時，在墻面粉刷完工后，再涂抹光催化功能材料，只需光照，室內的有機污染物就能被吸附，并被分解為無害物質。且該材料因不參與反應而不被消耗，可長期持續產生凈化效果。”張金龍教授介紹，“光催化技術的空氣凈化器，之所以能達到凈化效果，關鍵也在于過濾層上的光催化功能材料。”
所謂光催化，說的簡單一點就好像植物的光合作用。光催化材料通過吸收太陽光，引發一系列的氧化與還原反應，從而將太陽能轉化為化學能。一方面，光催化可以氧化有毒有害物質，最終將它們分解為無毒、無味的二氧化碳和水，達到徹底清除污染的目的。另一方面，光催化技術還可以將二氧化碳分子還原成有機小分子等化工原料，或是將水分子還原成氫氣等潔凈能源。該技術在生產、生活中的應用，看似高精尖的科研，其實和我們的生活息息相關。大到大氣污染治理、廢水處理及綠色能源開發等環境與能源問題，小到衣服鞋襪、冰箱異味或者外墻清潔，光催化技術都大有用武之地。
二氧化鈦作為一種典型半導體光催化材料在降解有機污染物、空氣凈化、除臭、殺菌、防霧等領域得到了廣泛的研究和應用。但由于二氧化鈦等傳統半導體光催化劑的禁帶較寬（銳鈦礦為3.2eV，金紅石為3.0eV），僅能吸收太陽光中波長小于387nm的紫外光。然而太陽光中紫外光的能量僅占3%-5%；而且光生電子和空穴易于復合，光量子效率低，對太陽光中的可見光響應程度遠遠達不到工業催化的要求，阻礙了二氧化鈦光催化材料的實際應用。如何重新設計半導體光催化劑的能帶結構，開發具有高可見光響應范圍與響應程度的光催化材料一直是光催化領域的熱點。
各國都在努力早日將光催化技術應用到環境污染治理和新能源開發中去。要實現這個目標，還需要解決以下2個關鍵科學問題：太陽能利用率低，由于納米二氧化鈦等半導體的能帶結構決定了其只能吸收利用太陽光中的紫外光；量子效率低，由于光生電子復合率高，使其量子效率低，難以處理量大且濃度高的工業廢氣和廢水。這些關鍵科學問題的解決有賴于深入的基礎研究。張金龍教授團隊通過對二氧化鈦等傳統半導體進行一系列改性，包括雜質元素摻雜改性、多相半導體復合改性、孔道結構功能化改性等，重新設計了半導體的能帶結構，實現了光催化材料對可見光吸收強度的調控，促進了光催化量子產率的提高。
針對“能帶不匹配、光能利用率低”的科學問題，張金龍教授團隊設計并制備了一系列金屬、非金屬摻雜二氧化鈦光催化材料，通過不同元素之間的協同作用成功實現了對二氧化鈦能帶結構的調控，拓展了二氧化鈦對太陽光譜的響應范圍。同時，團隊通過構造有序的“反蛋白石”三維孔道結構產生了“慢光效應”，增強了催化劑對光的利用率，并成功利用“慢光效應”與“光催化”的協同作用實現了對痕量有機污染物的在線降解與循環檢測，為光催化機理的研究提供了測試平臺。針對“光量子產率低”的科學問題，團隊通過對二氧化鈦進行晶相調控產生的多相協同效應，抑制了電子空穴的復合，延長了光生電荷的壽命，并通過構造三維石墨烯高分散負載二氧化鈦納米單晶結構，增強了催化劑對可見光的響應程度，提高了光生電荷的遷移效率，大大促進了電子與空穴的分離。
目前，張金龍教授團隊在光催化領域共發表SCI收錄學術論文243篇，論著共被SCI他引10053次，其中8篇代表性論文SCI他引2076次（7篇入選ESI高被引論文），單篇最高SCI他引547次，20篇主要論文SCI他引3448次，1篇被“Nature Asia”作為“亮點文章”進行了重點報道，1篇論文獲得Elsevier出版集團環境科學類大陸最高引用率獎，2篇論文獲得Elsevier出版集團最高論文引用率獎。張金龍教授也連續4年入選Elsevier出版集團“中國高被引學者榜單——化學工程類”。
說到自己十余年在光催化領域的研究工作，張金龍教授淺顯而形象地描述為“搭建改裝光催化的樓梯”，即對傳統半導體光催化材料的能帶結構進行梯度調控，以實現其對可見光的吸收和利用。簡單而執著，張金龍教授致力于光催化領域的基礎研究工作，為建設綠水青山的美麗中國貢獻著智慧。
黨的十九大將污染防治攻堅戰列為決勝全面建成小康社會的三大攻堅戰之一。每日的空氣指數不斷挑戰著人們的神經。據資料顯示，白楊樹被公認為植物界空氣凈化高手。2000多平方米光催化噴涂劑噴涂過的外墻，相當于70棵白楊樹的凈化效果。也就是說，每噴涂30平方米等同于種了一棵白楊樹。展望光催化的未來，張金龍教授描繪到，經過光催化功能材料的噴涂，也許一直被稱為“水泥森林”的城市建筑，真正能夠成為“綠色建筑”，變成污染防治的好幫手。
