AdSu:在高效光催化丙酮降解中通过金属铪掺杂二氧化锡增强了反应物的活化和转化

挥发性有机污染物(VOCs)是典型的有毒有害气体污染物,会对人体健康和生产力产生严重影响。丙酮作为代表性的VOC污染物之一,是一种常见的溶剂,广泛应用于塑料,橡胶,纤维,药物和制药行业。它对中枢神经系统有麻醉作用,并且对人类的肾脏和胰腺有害。因此,有必要在丙酮进入空气之前控制其浓度。由太阳能直接驱动的光催化技术可以在无二次污染的情况下将污染物完全降解为CO2和H2O,由于其具有环境友好性质且高效,因此光催化技术在对挥发性有机化合物去除的应用中引起了广泛的关注。

电子科技大学董帆教授和李解元研究员团队利用水热法合成金属铪掺杂二氧化锡,发现金属掺杂可以改变电子结构、抑制电子空穴对的复合且铪金属离子作为活性位点,并最终提高材料氧化能力以实现高效丙酮降解。另外,该工作结合了DFT模拟计算和原位红外等手段,探索了材料光催化活性的提高的原因,并揭示了丙酮降解的具体路径。

在这项工作中,通过水热法成功制备了二氧化锡掺杂金属铪材料,标记为SnO2-Hf。可以看出,与SnO2相比,SnO2-Hf的光催化降解丙酮效率明显提高。为了解释这种有趣的现象,提高结合DFT理论计算和实验,发现丙酮更易被吸附在SnO2-Hf的金属铪的表面上,这意味金属铪可能是吸附和活化丙酮的中心位点。另外,还发现与SnO2相比,SnO2-Hf表面的H2O和O2容易活化。更重要的是,由于引入金属铪改变了材料结构,SnO2-Hf的价带边缘相对于SnO2的价带边缘向上偏移,这能产生更多具有强氧化能力的光生空穴。此外,通过DFT计算和ESR,SnO2-Hf可以改善电荷载流子的分离以及迁移和抑制电子-空穴对的重组,从而提高了光催化反应的效率。通过结合原位漫反射红外傅里叶变换光谱法(DRIFTS)和DFT模拟计算的方法,提出了丙酮在SnO2-Hf上光催化氧化的降解途径的详细机理,DFT结果表明SnO2掺杂金属铪还可以促进污染物与催化剂表面之间的电子交换,这有利于将丙酮转化为二氧化碳和水。

研究者相信,本项工作为研究光催化丙酮降解和污染物与光催化剂之间载流子转移的详细而全面的反应机理提供了新的视角,为光催化技术在VOCs处理和空气污染控制领域的应用提供了新的思路。相关论文发表在Advanced Sustainable Systems(DOI: 10.1002/adsu.202100115)。

图1. 光催化降解丙酮效率图(a);活性自由基图 DMPO-•OH(b),DMPO-•O2(c),TEMP-1O2的ESR(d)
图2. SnO2和SnO2-Hf的X射线衍射图(a); SnO2和SnO2-Hf的紫外可见漫反射光谱图(b)带隙的估计能量(插图);SnO2和SnO2-Hf的产生自由基的能带结构图(c和d)
图3.在SnO2(a)和SnO2-Hf(c)上丙酮吸附阶段原位红外图;在 SnO2 ( b ) 和 SnO2-Hf ( d )上紫外光照射下丙酮反应阶段原位红外图。
图4. 优化后的丙酮吸附图SnO2(a)和SnO2-Hf(c); 电子局域函数图SnO2(b)和SnO2-Hf(d)

论文信息:

Enhanced Reactant Activation and Transformation for Efficient Photocatalytic Acetone Degradation on SnO2 via Hf Doping

Xiaofang Li,Jieyuan Li,Guo Zhang,Wenjia Yang,Lin Yang,Yu Shen,Yanjuan Sun,Fan Dong

Advanced Sustainable Systems

DOI:10.1002/adsu.202100115

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100115

Advanced Sustainable Systems

Advanced Sustainable Systems于2017年创刊,是Wiley出版社旗下Advanced系列新姐妹刊,旨在为实现联合国可持续发展目标(Sustainable Sevelopment Goals, SDGs)的前沿研究成果提供展示、传播与交流的国际化平台。其议题包括可再生能源、清洁能源、绿色合成、能源存储与催化、生物质材料、大气污染与水处理、气候与环境等,于2019年收获首个影响影子4.869,在绿色与可持续科学与技术分类中位列前30%。