Small:ZIF-67衍生的四氧化三钴包覆于氮化碳纳米片上用于光催化去除低浓度一氧化氮

由于化学燃料的燃烧,化学中间体的生产以及汽车尾气的大量排放,氮氧化物(NOx)的环境浓度逐年增加。其中,一氧化氮(NO)极不稳定,遇到光和热时会转化为有毒的二氧化氮(NO2)气体,对人体及动植物危害极大。此外,NO还可能导致酸雨,酸雾和光化学烟雾等。相比于传统NO的去除方法,光催化因其低能耗和简易的操作条件广泛应用于染污物净化。大量半导体催化剂如氮化碳(g-C3N4)被用来负载各种可见光响应型催化剂,以提高g-C3N4的载流子传输效率并扩大其可见光响应范围。

近年来,金属有机骨架(MOFs)及其衍生物因其较大的比表面积和均匀的孔径分布,在光电催化和储能等方面应用广泛。然而,MOF基材料一般不是半导体,不能有效地转移基板催化剂中的光生载流子,且MOF基材料的微孔结构导致气流被阻挡并且内表面不能被充分利用。MOF基材料衍生的金属氧化物在某种程度上能够克服此类问题。其中,氧化物四氧化三钴(Co3O4)具有优异的磁性和导电性,可应用于光催化领域。该工作中,通过钴基MOF的低温煅烧形成的金属氧化物的中空介孔结构结合了半导体催化剂和MOF基材料的特性,大大提高了光催化效率。

苏州大学材料与化学化工学部路建美课题组设计并合成了ZIF-67衍生的中空介孔Co3O4包覆于二维g-C3N4纳米片上,并将其用于室温下光催化去除低浓度(600ppb)的一氧化氮(NO)。低温煅烧得到的Co3O4不仅具有优异的导电性,且改善了ZIF-67的微孔结构,与颗粒状或量子点形态的氧化物相比,形成的中空介孔结构利于可见光对催化剂的内表面照射以及NO的流通和吸附,此外,较大的比表面积能够暴露更多的催化活性位点,便于NO的高效去除。值得注意的是,Co3O4和g-C3N4之间的p-n异质结形成了空间导电网络框架并增加了可见光响应范围,电子-空穴对的有效分离使光催化效率大幅增强。测试表明,该三维-二维复合材料通过适当的比例调控,可以实现57%的催化去除效率且循环稳定性能优越。复合材料光降解过程中有效抑制了有毒的中间体二氧化氮(NO2)的产生,有望用于环境净化领域。

研究者相信,该研究中基于MOF低温煅烧获得形貌保留的中空介孔氧化物,并将三维材料与二维材料结合以形成空间导电网络框架的方法将会为新型复合材料的合成提供新思路,且在改善材料的光电性能方面也有广泛的应用前景。相关论文在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201902291)上。