大氣中的氮氧化物（包括NO和NO2）是二次氣溶膠形成的重要前體物之一，是霧霾形成的主要成分。納米光催化是近年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興交叉學(xué)科，憑借其綠色、高效、低能耗等特點(diǎn)，在環(huán)境治理領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景，尤其為低濃度環(huán)境大氣污染物深度治理開(kāi)拓了新思路。
近日，中科院在NOx的光催化降解方面取得新進(jìn)展。在前期半導體納米材料可控構建及其光催化降解大氣污染物催化性能研究基礎上，針對傳統單相催化材料的局限性，設計和發(fā)展了一系列高效納米異質(zhì)結光催化材料，并有效地將其應用于大氣中低濃度NO污染物降解的研究中。通過(guò)材料化學(xué)組成與微納結構調控探究光催化過(guò)程中催化材料的結構組成與NO去除的“構-效”關(guān)系，揭示其對光催化反應機制的影響。
與傳統單相催化材料的固有能帶結構相比，構建異質(zhì)結催化材料不僅能調控材料的光照吸收閾值，還可以通過(guò)調控能帶結構實(shí)現光生載流子的快速分離，降低電子空穴的復合程度，提高光催化降解污染物的效率。此外，在光催化降解污染物的反應過(guò)程中，異質(zhì)結的界面結構特性決定了界面上載流子的轉移與傳輸方向、污染物的吸附特性和活性基團的反應活性等。該課題組研究人員利用Bi系層狀結構有利于電子轉移的特性，以(BiO)2CO3為基礎，采用原位熱分解法制備了具有良好循環(huán)穩定性與可見(jiàn)光活性的α-Bi2O3/(BiO)2CO3異質(zhì)結催化材料，大幅提高了光生載流子的分離效率。
隨后，研究人員利用g-C3N4自犧牲提供CO32-基團，通過(guò)一步水熱法巧妙地合成了厚度可控的Bi2O2CO3/g-C3N4層狀異質(zhì)結納米盤(pán)（圖1）。通過(guò)形貌調控和異質(zhì)結協(xié)同催化作用，該異質(zhì)結對NO的去除效果顯著(zhù)增強，深入研究發(fā)現超氧自由基是該異質(zhì)結降解NO過(guò)程中的主要活性基團。
圖1 Bi2O2CO3/g-C3N4異質(zhì)結催化材料的合成過(guò)程
另外，新型鈣鈦礦型復合氧化物由于A(yíng)BO3的鈣鈦礦結構具有更大的結構容忍度，其結構和性能調控的范圍較大。因此，通過(guò)調控晶格結構相似的兩種鈣鈦礦材料制備了LaFeO3-SrTiO3（LFO-STO）異質(zhì)結光催化材料。實(shí)驗結果和密度泛函理論（DFT）計算表明：LFO-STO異質(zhì)結的構建形成了內建電場(chǎng)，能帶位置發(fā)生變化，界面光生載流子轉移和傳輸具有了全新的驅動(dòng)力，利于光催化降解污染物的反應過(guò)程（圖2）。
圖2 LaFeO3-SrTiO3異質(zhì)結的構建及光生載流子傳輸方向的確定
此外還發(fā)現，納米Ag可以利用表面等離子共振效應吸收可見(jiàn)光并轉移激發(fā)態(tài)電子至SrTiO3，形成活性氧自由基，提高SrTiO3在可見(jiàn)光下的光催化NO去除效率（圖3）。
圖3 Ag-SrTiO3等離子體效應對NO催化活性增強的機理研究
納米Ag負載量與光催化去除性能在一定范圍內具有正相關(guān)關(guān)系，通過(guò)改變Ag負載量可間接調控光催化能力，表面堿性位點(diǎn)（Sr2+）的存在有利于抑制NO2的生成。在之后的研究中，發(fā)現合成的Bi/ZnWO4光催化材料也具有類(lèi)似的等離子體效應。該系列研究為設計具有高效選擇性納米光催化材料提供了新的思路。
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