Small Methods:逐层电沉积策略构筑具有高模拟过氧化物酶活性的TiO2/CuxO/CeO2 (1 < x < 2)光催化剂

研究背景

酶在生物催化过程中具有高度的特异性和活性。各种天然酶及其制剂已在工农业生产、生物制药和环境保护等领域得到广泛应用,然而极端环境会导致其结构不稳定而失活。相比而言,无机纳米材料具有简单和稳定的空间结构,自Fe3O4纳米颗粒被首次发现具备模拟过氧化物酶活性后,科学研究不断发现贵金属、过渡金属氧化物、金属有机结构、金属有机凝胶和单原子等均可表现出高模拟酶活性。Cu2O作为过渡金属氧化物,其Cu+处于化学中间价态,可催化H2O2分解为羟基自由基并表现出良好的催化性质,而通过引入其它活性组分以构筑强耦合作用界面可进一步提高其活性。同时Cu2O为p型窄带隙半导体,能够实现可见光驱动下的光催化反应。另外,半导体材料普遍存在不可避免的激子快速复合的问题,而将Cu2O与n型半导体复合来构筑pn-异质结是降低光生电子空穴对复合的有效方法。

文章内容

北京航空航天大学张瑜刘大鹏以FTO为基底通过逐层电沉积策略,并借助后续的原位表面刻蚀技术,构建了具有良好可见光(λ ≥ 420 nm)响应的TiO2/CuxO/CeO2 (1 < x < 2)光催化剂。在光照条件下,该催化剂表现出大幅提升的模拟过氧化物酶活性。Cu2O/TiO2 pn-异质结和高活性CuxO/CeO2界面的巧妙构筑保证了光生载流子的快速分离,同时空穴和Ce3+之间的协同效应大幅提升了单线态氧的生成能力。

以过氧化物模拟酶催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)氧化作为模型反应,研究人员发现在无光照条件下FTO/TiO2/CuxO/CeO2催化H2O2分解时产生了多种低浓度活性氧物种,包括羟基自由基(•OH),超氧自由基(O2•−)和单线态氧(1O2)。然而在可见光照射下,FTO/TiO2/CuxO/CeO2催化H2O2分解时却在活性1O2氧物种上表现出了一定的选择性,使催化反应活性加倍。测试结果表明,TiO2/Cu2O pn-异质结和高活性CuxO/CeO2界面的构筑对于FTO/TiO2/CuxO/CeO2的活性提升起了关键作用。前者可以有效地分离光生载流子以形成稳定的空穴浓度,后者通过Ce3+与这些空穴的协同作用大幅提高生成1O2的浓度。这项工作提出了同时构筑pn-异质结和高活性界面的理念,将对活性氧参与的相关反应的催化剂结构设计和优化具有重要的指导意义。

该项目研究获得中国国家自然科学基金(批准号:51925202、51972008)项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Layer-by-Layer Electrodeposition of FTO/TiO2/CuxO/CeO2 (1 < x < 2) Photocatalysts with High Peroxidase-Like Activity by Greatly Enhanced Singlet Oxygen Generation

Mingzhe Shao, Dapeng Liu*, Baolin Yan, Xilan Feng, Xiaojuan Zhang*, Yu Zhang*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100423

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.202100423