地球环境所在纳米光催化去除环境大气NOx研究方面取得新进展学术资讯

来源：中国科学院地球环境研究所

二次有机气溶胶（SOA）是我国典型城市重霾污染期间高浓度PM2.5的重要贡献源，氮氧化物（NOx，包括NO和NO2）则是形成SOA的重要前体物之一。因此，开发高效的环境NOx控制技术对我国大气污染防治具有重要意义。光催化技术能利用太阳能转化产生活性氧物种对NOx进行深度氧化去除，从而阻断其在大气中向SOA转化，是目前理想的环境NOx控制策略。

中国科学院地球环境研究所黄宇研究员与西安交通大学、陕西师范大学等高校开展紧密合作，瞄准目前环境空气污染控制领域的前沿科学问题，就新型纳米光催化材料可控制备、光生载流子高效分离、催化反应过程鉴别及界面反应机制开展研究，取得了系列成果。

利用原位合成的方法，可控制备出了具有高质量界面接触和强氧化还原能力的Z型α-Bi2O3/CuBi2O4异质结。DFT计算结果表明，当两者复合形成界面结构后，将有3.6e个电子从α-Bi2O3转移到CuBi2O4，光电流和荧光结果进一步表明Z型异质结α-Bi2O3/CuBi2O4界面对光生载流子的分离与传输有显著地促进作用（图1）。活性测试的结果表明，α-Bi2O3与CuBi2O4构建成Z型异质结后，能通过促进光生载流子的分离传输效率将其NO的可见光去除效率提升1.8倍。

此外，研究团队利用原位表面还原的方法，可控制备出了Bi-BiPO4（BPO）复合纳米光催化材料，促进了催化反应过程中O2的吸附活化与活性自由基的生成（图2）。相较于几乎没有可见光活性的BPO, Bi-BPO对NO的可将光去除率可达32.8%，并能保持良好的稳定性。可控制备出了Au纳米颗粒负载的La掺杂Bi5O7I（A-L-BOI）微球，增强了L-BOI在可见光区域的吸光能力，La的掺杂则在BOI表面上形成了大量氧空位，有效增强了NO的去除效率并能同时抑制毒副产物NO2的生成（图3）。利用碳量子点（CQDs）的上转化特性，可控制备了CQDs/ZIF-8复合材料，实验结果表明，CODs的引入一方面可拓宽材料的光吸收范围至整个可见光区（图4），另一方面显著增强了ZIF-8的电子分离效率，进而实现了NO的高效去除。此外，通过N元素掺杂，强化碳量子点的上转化特性，并可控制备了N/CQDs- MIL-125(Ti)复合材料。原位红外光谱的结果表明，N/CQDs负载MIL-125(Ti)在光反应阶段存在Ti4+-NO向Ti3+-NO转化的过程（图5），是毒副产物NO2被抑制产生的关键所在。

以上系列研究为构建高可见光催化活性及高NO选择性的纳米光催化空气净化材料提供有效的调控策略。

图1(a) 紫外可见光吸收图谱，(b) 光电流分析图，(c) 荧光信号分析图，α-Bi2O3 (d)和CuBi2O4 (e)功函数图, α-Bi2O3/CuBi2O4 Z型异质结界面差分电荷图(f)

图2 Bi-BPO 等离子光催化氧化NO反应机理示意图

图3 2％A-6％L-BOI光催化氧化NO反应机理示意图

图4 (a) CODs、ZIF-8和0.5-CQDs/ZIF-8材料的UV-vis光谱，(b)ZIF-8的XPS价带谱

图5 (a)可见光条件下MIL-125(Ti), (b) 2.5 Vol% N/CM(Ti)光催化NO的原位光谱图

来源：IEECAS-PUB 中国科学院地球环境研究所

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5MjczMzU3OA==&mid=2247486433&idx=2&sn=0a617b5dea7677026eee21d7edfb21e8&chksm=ec7d9c04db0a15127ef0a562873c63ecaa1a6750bfb9fb9cf2b831eae8573bcccc119673d087#rd

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