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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
2020-07-31| 编辑: | 【 】【打印】【关闭

  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NONO2)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Zα-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-Bi2O3CuBi2O4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-BiPO4BPO)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-BPONO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Bi5O7IA-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+-NOTi3+-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。

  原文链接:

  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337320304239

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433220305316

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b14300

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925838819321577

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.9b06816

   

    

  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)CuBi2O4 (e)功函数图, α-Bi2O3/CuBi2O4 Z型异质结界面差分电荷图(f)

  

  2 Bi-BPO 等离子光催化氧化NO反应机理示意图

   

   3 2A-6L-BOI光催化氧化NO反应机理示意图

   

  

  4 (a) CODsZIF-80.5-CQDs/ZIF-8材料的UV-vis光谱,(b)ZIF-8XPS价带谱

   

  

  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


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