北京化工大學(xué)孫振宇課題組及合作團(tuán)隊(duì):氮/氧雙缺陷與MoOx團(tuán)簇助力氮化碳促進(jìn)O?活化和四環(huán)素光降解
環(huán)境污染是21世紀(jì)人類面臨的最重要挑戰(zhàn)之一,其中水污染問題最為突出,特別是環(huán)境水中的難降解有機(jī)污染物具有頑固性和毒性,對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成嚴(yán)重威脅。因此,探索一種可行、高效的去除有機(jī)污染物的技術(shù)具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。眾所周知,O2是一種環(huán)境友好、價格低廉的氧化劑,廣泛用于環(huán)境修復(fù)。但O2分子活化是一個電子自旋禁止的過程,阻礙了環(huán)境條件下的直接利用。在環(huán)境條件下活化O2并將其轉(zhuǎn)化為更具氧化性的活性氧(ROS)是一個難題。光催化活化O2技術(shù)因其低成本、高效和環(huán)保而引起越來越多的關(guān)注。在光催化O2活化過程中,光產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到催化劑表面,將吸附的O2轉(zhuǎn)化為ROS(如?O2–、1O2、?OH、H2O2),其可高效降解有機(jī)污染物,達(dá)到凈化廢水的目的。g-C3N4的導(dǎo)帶(CB)具有較高的還原電位,有利于O2的活化,但其光催化O2活化的效率受到光生電荷易復(fù)合、載流子遷移速率低以及缺少O2吸附活化位點(diǎn)的制約。通過調(diào)控光生電荷的動力學(xué)行為以及催化劑與O2分子之間的電子/能量傳遞過程,實(shí)現(xiàn)高效的O2分子活化,是一挑戰(zhàn)性課題。最近研究表明,在光催化劑中形成表面缺陷及構(gòu)建異質(zhì)結(jié)可以抑制光生電荷的復(fù)合,促進(jìn)O2的吸附和活化,從而改善光催化劑的性能。氧化鉬(MoOx)作為一種自然界豐富存在的過渡金屬氧化物,具有多種價態(tài),是一種潛在的非貴金屬基助催化劑。目前,MoOx作為助催化劑光催化O2活化產(chǎn)生ROS的研究仍然缺乏,而且過渡金屬氧化物和表面缺陷對O2分子的活化機(jī)制尚不明確
成果
針對如何有效促進(jìn)光生電荷分離、提高載流子遷移速率以及增強(qiáng)O2吸附和活化等問題,北京化工大學(xué)孫振宇教授課題組和延安大學(xué)付峰教授課題組通過構(gòu)筑缺陷和引入MoOx團(tuán)簇修飾的策略,利用原位熱解法構(gòu)建了具有氮/氧雙缺陷的MoOx/g-C3N4光催化劑。氮/氧雙缺陷和MoOx團(tuán)簇的形成不僅拓寬了g-C3N4的光吸收范圍,減小了能帶寬度,而且有效促進(jìn)了光生載流子的分離。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),具有氧缺陷(Ov)的MoOx團(tuán)簇和表面Ov介導(dǎo)的Moδ+(3 ≥ δ ≥ 2)作為電子捕獲中心,將電子轉(zhuǎn)移到MoOx團(tuán)簇,隨后轉(zhuǎn)移到吸附在催化劑表面的O2,從而促進(jìn)O2到?O2–的光催化轉(zhuǎn)化。得益于活性氧物種的高效產(chǎn)生與利用,MoOx/g-C3N4表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性,可見光照射120 min,對鹽酸四環(huán)素(TCH)的降解率達(dá)79%,表觀速率常數(shù)約為純g-C3N4的7倍。該研究為促進(jìn)O2的活化提供了新的思路,為設(shè)計(jì)用于環(huán)境修復(fù)的高活性集成光催化劑提供了重要參考
圖文
圖1 10MoOx/Nv-CN-3光催化劑的(a)合成路線示意圖、(b)BF-STEM圖像、(c)HAADF-STEM圖像、(d)圖c中所示區(qū)域的放大彩色視圖、(e)高倍放大HAADF-STEM圖像和(f)HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS-mapping圖像。
作者簡介
第一作者簡介
申會東,北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院19級博士研究生。研究方向?yàn)榄h(huán)境能源催化,以第一作者在Chem、Nano Res.、J. Colloid Interface Sci.、Sol. RRL、Chem. Eur. J.等期刊發(fā)表論文8篇,其中3篇論文入選ESI Top 1%高被引用論文,2篇論文入選ESI Top 0.1%熱點(diǎn)論文。
通訊作者簡介
楊春明,延安大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,博士畢業(yè)于吉林大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè),湖南大學(xué)博士后,延安市綠色氫能與生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要致力于新型能源轉(zhuǎn)換存儲體系的開發(fā)、生物質(zhì)資源催化轉(zhuǎn)化以及煤基固體廢棄物(煤矸石、煤泥、粉煤灰)和蘭炭廢水資源化利用。先后主持國家自然科學(xué)基金、陜西省廳市聯(lián)動項(xiàng)目、陜西省科協(xié)會企校企協(xié)作項(xiàng)目、陜西省自然科學(xué)研究項(xiàng)目等項(xiàng)目。以第一作者或通訊作者在Adv. Energy Mater.、Appl. Catal. B: Environ.、Sci. China Chem.、Chem. Eng. J.、ChemSusChem等期刊發(fā)表論文30余篇,申請和授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)。
郝磊端,北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院副教授,碩士生導(dǎo)師。2016年7月博士畢業(yè)于中國科學(xué)院化學(xué)研究所,2017年6月至2021年7月在華盛頓州立大學(xué)進(jìn)行博士后研究,2021年11月加入北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院。主要從事CO2/N2催化轉(zhuǎn)化、多孔材料設(shè)計(jì)合成方面的研究,以第一/通訊作者在ACS Catal.、Green Chem.、Appl. Catal. B等期刊發(fā)表論文20余篇,撰寫英文書籍2章節(jié)。
孫振宇,北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,材料化工系主任。2006年博士畢業(yè)于中科院化學(xué)所。2006至2015年先后在愛爾蘭圣三一學(xué)院、德國魯爾波鴻大學(xué)以及英國牛津大學(xué)從事博士后研究。入選德國洪堡學(xué)者。主要從事CO2、N2還原反應(yīng)研究,以第一/通訊作者,在Chem、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Prog. Mater. Sci.等期刊發(fā)表論文 123篇(含 15 篇 ESI 高被引論文、6篇封面文章),英文書籍章節(jié) 5 篇,h-index 57 (Web of Science數(shù)據(jù))。入選Elsevier 2021、2022年度“中國高被引學(xué)者”、其研究工作獲選“細(xì)胞出版社 2019 中國年度論文”、“2019 年中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”。擔(dān)任中國化工學(xué)會化學(xué)工程專委會秘書長、中國化學(xué)會高壓化學(xué)專委會委員;RSC Sustainability期刊副主編;Chinese Journal of Catalysis和《物理化學(xué)學(xué)報》等編委;德國洪堡基金、法國Jean-Marie Lehn基金、瑞士和智利國家自然科學(xué)基金評審人;Nature、Nat. Synthesis、Nat. Energy、Nat. Commun.等期刊審稿人
文章
Shen H, Zhan X, Hong S, et al. Ultrafine MoOx clusters anchored on g-C3N4 with nitrogen/oxygen dual defects for synergistic efficient O2 activation and tetracycline photodegradation. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5880-y