8-羟基喹啉作为光催化剂在废水处理中的可见光响应特性

8-羟基喹啉作为光催化剂在废水处理中，其可见光响应特性源于分子结构中“羟基-喹啉环”的共轭体系对可见光的吸收，但其自身光催化活性较弱，需通过改性（如金属配位、载体复合）增强响应能力与催化效率，具体特性及机制如下：

一、可见光响应核心基础：分子结构与光吸收特性

8-羟基喹啉（分子式 C₉H₇NO）的可见光响应能力由其分子内电子跃迁特性决定，这是实现可见光催化的前提：

共轭体系与光吸收范围

分子中喹啉环（含共轭双键）与羟基（-OH）形成π-π共轭体系，可吸收可见光波段（400-760nm）的光子。紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）显示，纯8-羟基喹啉的最大吸收峰位于350-450nm（近紫外-可见光交界处），摩尔吸光系数约10⁴-10⁵ L/(mol・cm)，但对450nm以上的可见光吸收较弱（吸光系数降至10³ L/(mol・cm) 以下），导致其对自然光中可见光的利用率较低（仅 10%-20%）。

电子跃迁机制

可见光光子能量（1.6-3.1eV）可激发8-羟基喹啉分子中“羟基氧原子的孤对电子”向喹啉环的 π反键轨道跃迁（n→π跃迁），或共轭体系内的π电子向 π轨道跃迁（π→π跃迁），形成激发态分子（¹8-HQ或³8-HQ）。激发态分子可通过电子转移产生・OH、O₂⁻等活性氧物种，或直接与废水中污染物（如有机染料、重金属离子）发生氧化还原反应，实现污染物降解。

二、纯8-羟基喹啉的可见光响应局限：活性弱与稳定性差

纯8-羟基喹啉作为光催化剂时，其可见光响应特性存在明显不足，限制了实际应用：

光生载流子复合率高

激发态的电子（e⁻）与空穴（h⁺）易快速复合（复合寿命仅10⁻⁹-10⁻⁸s），导致活性氧物种生成量少，对污染物的降解效率低，例如，在可见光照射下（λ＞420nm），纯8-羟基喹啉对罗丹明B的降解率仅为20%-30%（60min 内），远低于商业化光催化剂（如TiO₂/石墨烯，降解率＞90%）。

可见光吸收范围窄

仅能有效吸收450nm以下的近紫外-可见光，对450-760nm的中长波可见光吸收微弱，而自然光中该波段占比达60%以上，导致光利用率低，实际废水处理中需额外搭配紫外光源，增加能耗与成本。

稳定性差易溶出

8-羟基喹啉在水中有一定溶解度（约0.1-0.5g/L），光催化过程中易从催化剂表面溶出，不仅导致催化剂流失，还可能引入新的有机污染物，造成二次污染。

三、增强8-羟基喹啉可见光响应特性的改性策略

通过“金属配位改性”“载体复合改性”等方式，可拓展其可见光吸收范围、降低载流子复合率，提升可见光催化性能：

1. 金属配位改性：构建“8-羟基喹啉-金属”配合物，拓展光吸收与活性

8-羟基喹啉的羟基（-OH）与氮原子（-N-）可与金属离子（如Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）形成稳定的螯合物（如8-羟基喹啉铜 Cu (Q)₂、锌Zn (Q)₂），显著改善可见光响应特性：

拓展可见光吸收范围：金属离子的d轨道与8-羟基喹啉的共轭体系形成新的杂化轨道，使配合物的最大吸收峰红移至450-600nm，可吸收中长波可见光，例如，Cu (Q)₂的最大吸收峰为550nm，对500-600nm 可见光的吸光系数提升至5×10⁴ L/(mol・cm)，光利用率提高至 40%-50%。

抑制载流子复合：金属离子可作为电子捕获中心，捕获激发态电子（e⁻），减少e⁻与h⁺的复合，促进活性氧物种生成。如Fe³⁺配位的8-羟基喹啉（Fe (Q)₃），光生载流子复合寿命延长至 10⁻⁷-10⁻⁶s，・OH生成量比纯8-羟基喹啉增加3-5倍，对四环素类抗生素的降解率达80%以上（可见光照射60min）。

2. 载体复合改性：依托载体提升稳定性与光响应效率

将8-羟基喹啉或其金属配合物负载于高比表面积载体（如TiO₂、g-C₃N₄、蒙脱石）表面，可解决溶出问题并增强可见光响应：

提升稳定性与分散性：载体可通过氢键、范德华力或化学键将8-羟基喹啉固定，减少溶出（溶出量降至 0.01g/L 以下）；同时载体的高分散性避免8-羟基喹啉分子团聚，增加光吸收位点，例如，8-羟基喹啉铜负载于g-C₃N₄表面，在循环使用5次后，降解率仍保持75%以上，远高于纯Cu (Q)₂（仅 40%）。

构建异质结，增强载流子分离：若载体为半导体（如TiO₂、ZnO），8-羟基喹啉与载体形成异质结结构，可见光激发的电子可从8-羟基喹啉转移至载体的导带，空穴留在8-羟基喹啉的价带，实现载流子高效分离，例如，8-羟基喹啉/TiO₂复合催化剂，可见光下对Cr (VI) 的还原率（将Cr (VI) 转化为低毒Cr (III)）达95%，是纯8-羟基喹啉的6倍。

3. 掺杂改性：引入非金属元素，调节电子结构

在8-羟基喹啉分子或其配合物中掺杂N、S、P等非金属元素，可改变共轭体系的电子云密度，红移吸收光谱：

如硫掺杂的8-羟基喹啉锌（S-Zn (Q)₂），S原子取代喹啉环上的C原子，使分子的最高占据轨道（HOMO）能量升高，最低未占据轨道（LUMO）能量降低，禁带宽度从纯Zn (Q)₂的2.8eV降至2.4eV，可吸收波长≤517nm的可见光，对甲基橙的降解率提升至70%（可见光照射60min）。

四、可见光响应特性的实际应用场景与优势

改性后的8-羟基喹啉光催化剂，凭借其对可见光的响应能力，适合处理两类废水：

有机污染物废水：如印染废水（含罗丹明B、甲基橙）、制药废水（含四环素、头孢类抗生素），可见光激发产生的活性氧物种可氧化分解有机分子，矿化率达60%-80%；

重金属废水：如含Cr (VI)、Pb²⁺的工业废水，光生电子可将高毒Cr (VI) 还原为低毒 Cr (III)，8-羟基喹啉的配位基团还可螯合 Pb²⁺，实现“降解+固定”双重作用。

与传统紫外光催化剂（如纯TiO₂）相比，其优势在于：可直接利用自然光或低成本可见光LED 光源，无需紫外灯，能耗降低 50%以上，且改性后稳定性提升，适合大规模连续处理。

8-羟基喹啉的可见光响应特性源于其共轭体系的电子跃迁，但纯品存在吸收范围窄、活性弱、易溶出的局限。通过金属配位、载体复合、非金属掺杂等改性策略，可显著拓展其可见光吸收范围（至450-600nm）、抑制载流子复合、提升稳定性，使其成为高效的可见光响应光催化剂，在低成本、环保型废水处理中具有良好应用潜力。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/