锚定单原子金的TiO2空心微球高效光催化氧化丙酮学术资讯

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丙酮是一种重要的工业溶剂，也是一种具有易挥发性的有机化合物（VOCs）。丙酮蒸气具有刺激性，可以损伤呼吸系统，增加人体患癌的几率。因此，对空气中丙酮蒸气的去除，具有非常重要的意义。近日，中南民族大学的吕康乐团队利用二氧化钛空心微球表面的氧空位特殊的电子结构来锚定单原子金，制备了一种具有高光催化氧化丙酮性能的光催化材料。

二氧化钛作为一种最具代表性的半导体光催化材料，其具有无毒无害、化学性能稳定和生物相容性好等优点，广泛应用于有机污染物的分解与矿化。但是其存在光生载流子容易复合，导致光催化效率不高的问题。

近年来，贵金属单原子因其独特的电子结构与空间效应而成为（光）催化领域的研究热点，这是由于单原子达到了100%的原子利用率，最大限度地减少贵金属的负载量而节约成本。同时，处于离散状态的单原子，因其更多的悬挂化学键而表现出更强的吸附与活化性能。但是离散的单原子表面能很大，在煅烧制备和催化反应过程中，容易发生聚集而丧失单原子催化活性。因此，如何保持单原子催化剂的稳定性，就成了摆在科学家面前的一个难题。

中南民族大学吕康乐团队利用氧空位来锚定单原子金，很好地解决了上述问题。在前期工作中（Appl. Catal. B Environ., 2019, 256, 117860），他们将TiO2空心微球与尿素混合煅烧地方式，成功制备了表面富有氧缺陷的TiO2空心微球（defective TiO2, DT）。最近，他们利用氧空位富余电子来吸附和稳定单原子金（single atomic Au, Au-SA），制备了表面锚定单原子金的TiO2空心微球Au(Au-SA/DT)。

研究发现，Ti-Au-Ti键的形成有助于电子从钛原子转移到金原子，增加丙酮的吸附和活化性能。相同条件下，如果用结构完整的TiO2空心微球（perfect TiO2, PT）去负载，只能得到Au纳米颗粒（Au nanoparticles, Au-NPs）负载的TiO2空心微球（Au-NPs/PT）光催化材料。

图1是丙酮光催化氧化的动力学曲线，可以看出，这种由单原子Au负载的TiO2空心微球光催化材料（Au-SA/DT），其光催化氧化丙酮性能显著优越于TiO2空心微球（PT）、氧空位TiO2空心微球（DT）和金纳米粒子负载的TiO2空心微球（Au-NP/PT）。

图1. 催化剂光催化氧化丙酮活性比较
他们利用球差电镜和同步辐射表征了单原子金的存在，从图2中可以看到样品Au-SA/DT中的Au是单原子的形式存在，而且Au原子分布比较均匀。同步辐射的结果进一步确定，Au是单原子的形式存在，确定样品Au-SA/DT中的Au-Ti的形式存在。

图2. Au-SA/DT催化剂的球差电镜照片(a)，Au(b)和Ti(c)元素分布图，HADDF图(d)，样品的XANES图(e)及Au L3带边R空间傅里叶变换图(f)

单原子Au的锚定，对TiO2空心微球的光吸收性能有着重要的影响。从图3可以发现，样品Au-SA/DT有着最强的光吸收性能。与金纳米颗粒负载的TiO2空心微球（Au-NP/PT）相比，Au-SA/DT样品没有出现等Au离子共振效应的吸收峰，这也从侧面证实催化剂中的金，以单原子形式被锚定。

图3. 催化剂的粉末固体漫反射光谱比较

吕康乐团队利用丙酮分解的原为红外光谱（DRIFTS）分析，结合DFT理论计算，推测出了丙酮分子在Au-SA/DT催化剂表面光催化氧化路径（图4）。结果显示，丙酮氧化的速率决定步骤（RDS）为甲酸的分解（为二氧化碳）。由于 Au-SA/DT光催化材料具有良好的气体通透性，强的散射性能，以及宽广的光响应范围与光催化稳定性，有望用于室内空气净化。

图4. 光催化氧化丙酮反应路径

这一成果近期发表在Chem. Commun. 上，文章的第一作者为硕士研究生胡钊。

原文：Single atomic Au induced dramatic promotion of the photocatalytic activity of TiO2 hollow microspheresZhao Hu, Chao Yang, Kangle Lv, Xiaofang Li, Qin Li, Jiajie Fan Chem. Commun., 2020, 56, 1745-1748, DOI: 10.1039/c9cc08578e

吕康乐教授简介
吕康乐，男，博士，教授，教育部新世纪优秀人才，湖北省杰出青年基金获得者，中国感光学会光催化专业委员会委员，Chinese Journal of Catalysis青年编委， Frontiers in Chemistry副编辑。2006年博士毕业于浙江大学化学专业，主要从事半导体光催化材料与环境光催化方面的研究。2006年9月开始在中南民族大学催化材料科学教育部重点实验室工作。2008年7月-2011年4月在武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室从事博士后研究，2011年5月-2012年4月访问英国布里斯托尔大学（University of Bristol）化学院，2016年1月-6月，访问香港教育大学（The Education University of Hong Kong）环境学系。
主持国家自然科学基金面上项目3项，已经在 Appl. Catal. B: Environ., Chem. Commun., ACS Appl. Mater. Interfaces 和J. Hazard. Mater. 等国际期刊上，发表SCI收录论文100余篇（论文SCI他引4800余次），分别于2013年（排二）和2017年（排一），两次获得湖北省自然科学奖（三等奖）。

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