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源自金属有机骨架的氧缺陷型 Ti3+-TiO2 和 Ar-Fe2O3 的磁性异质结用于过二硫酸盐 (PDS)的光活化2021-08-03

▲第一作者:贾美莹 博士研究生(湖南大学)

通讯作者:杨朝晖 教授(湖南大学)、熊炜平 副教授(湖南大学)

通讯单位:湖南大学

论文DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120513

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图文摘要
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成果简介
近日,湖南大学杨朝晖教授团队在Applied Catalysis B Environmental上发表了题为“Magnetic heterojunction of oxygen-deficient Ti3+-TiO2 and Ar-Fe2O3 derived from metal-organic frameworks for efficient peroxydisulfate (PDS) photo-activation”的研究论文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120513),探究了磁性Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3光催化复合材料在模拟太阳光下对诺氟沙星(NOR)的催化降解行为及机理,通过电子顺磁共振(EPR)证实了氧缺陷的存在,并根据液相色谱-质谱(LC-MS)得到的碎片图谱深入解析了该体系下诺氟沙星的降解途径。
研究人员利用均一的制备条件同步制备并热解了MIL-125 (Ti) 和 MIL-100 (Fe),随后在氩气气氛中通过雕刻还原工艺获得磁性Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3用于光催化降解水体中的多种抗生素。还原后,Ar-Fe2O3 暴露的 Fe 簇和氧空位带来的高光收集能力使Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3被考虑用于过二硫酸盐 (PDS) 的光活化,以将多相催化与低成本太阳能相结合。MIL-125(Ti)赋予TiO2足够的比表面积以产生更多的氧空位,MIL-100(Fe)赋予Fe2O3更多暴露的Fe簇以有效激活PDS,同时Fe2O3赋予的磁性有利于Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3的有效回收。基于合适的能带能级,Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3产生的光生载流子被有效转移并用于 PDS 活化,同时产生SO4•-, •OH和h+用于氧化NOR。
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全文速览
浆料体系中纳米催化剂的光收集和分离是光催化的关键问题。为了解决所述问题,研究人员通过在氩气氛中高温还原 MOFs 制备磁性Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3 II 型异质结,并对异质结的结构、热稳定性、形貌、电子结构、光学和光电化学性质进行了详细表征。同时,通过电子顺磁共振(EPR)和振动样品磁强法(VSM)证实了氧缺陷和磁性的存在。此外,在多种抗生素中评估了Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3可见光/PDS 体系的催化性能。最后,基于价带光谱、带隙能量、淬火试验和EPR分析,提出了一种可行的光活化PDS机制。这项工作丰富了TiO2的原位缺陷工程,为设计MOFs 介导的纳米催化剂提供了新的见解,并为 PDS 的光活化以控制各种顽固的有机化学污染物提供了新的机会。
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背景介绍
近年来,基于硫酸根自由基的高级氧化工艺(SR-AOPs)被认为是一种用于控制各种顽固有机化学污染物的高级氧化技术。为了活化过硫酸盐已经应用了许多方法,如超声波、电、紫外线辐射、过渡金属催化剂等。在以上策略中,过硫酸盐的光活化是一种有吸引力的活化方法,它增强了反应动力学并将催化与低成本太阳能相结合。然而,这种非均相过程的关键问题是开发用于光催化氧化和过硫酸盐活化的高活性催化剂。在各种光催化剂中,TiO2具有成本低、稳定性高和无毒等实用优势。对于TiO2系统,低太阳能利用率和高载流子复合一直是最棘手的问题。同时,浆料体系中纳米催化剂的光收集和分离是光催化领域的关键问题。自2011 年提出具有高可见光吸收能力的黑色TiO2 以来,我们注意到氧缺陷型 TiO2(Ti3+-TiO2)在光催化领域的发展。与异质掺杂相比,Ti3+自掺杂提供了一种改性TiO2的新方法,它可以通过TiO2的氢化或还原来引入缺氧和改变电子结构。到目前为止,只有少数基于Ti3+-TiO2的纳米材料被探索用于过硫酸盐的光活化。
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本文亮点
1. 通过水热煅烧和雕刻还原工艺开发了磁性 Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3 II 型异质结。
2. 雕刻还原工艺带来的氧空位增强了集光能力。
3.催化剂具有窄带隙(2.0 eV)并保留了来自金属有机骨架的足够反应位点。
4. Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3/可见光/PDS系统将多相催化与低成本太阳能相结合。
5、该系统在5分钟内对诺氟沙星的降解效率达到97.80%,在多种抗生素中均表现出优异的降解能力。
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图文解析
Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3的合成及形貌表征
▲图1. (a)Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3合成途径示意图;(b) MIL-100(Fe),(c) Ar-Fe2O3,(d) MIL-125(Ti),(e) Ti3+-TiO2,(f)MIL-125(Ti)/MIL-100(Fe),(g) Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3的SEM图;(h-i) Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3 的 TEM 图, (j) Ti3+-TiO2/Ar-Fe2O3的HRTEM.

未完待续

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