在环境光催化材料表面修饰及催化性能增强机制的研究进展----中国科学院地球环境研究所粉尘与环境研究室

大气中的氮氧化物（NOx，包括NO和NO2）是二次气溶胶形成的重要前体物之一，最新研究更是证实了我国重霾期间二氧化氮对大气硫酸盐的形成有重要贡献。因此，开发针对NOx消除的环境控制技术对改善我国当前空气质量意义重大。光催化技术借助光能激发形成的强氧化性物种氧化NOx以降低其浓度，阻断其凝聚生成二次气溶胶的大气化学反应途径，具有广阔的应用前景。

中国科学院地球环境研究所黄宇研究员带领的环境污染控制小组一直致力于纳米光催化控制大气污染的应用基础研究。近期，该团队聚焦NO光催化降解过程中的吸附热力学吸/脱附、能带调控光吸收及高效光生电子-空穴分离等行为，开展了纳米材料表面的空位调控研究，设计和发展了一系列高效纳米光催化材料，并有效地将其应用于大气中低浓度NO的降解研究。

对光催化技术而言，拓展可见光利用率、增强光催化剂对大气中低浓度目标污染物的吸附能力、提高光生电子-空穴的分离效率、加快表面活性氧物种生成速率是提高光催化降解反应速度的关键。而纳米光催化材料表面的空位结构构筑可兼顾以上四个方面。该团队首次利用单体三聚氰胺自模板法制备出了棒状的N空位修饰的多孔g-C3N4，其光催化氧化去除NO的效率和反应速率相比常规方法制备的g-C3N4分别提升了1.8和2.6倍。研究表明，性能增强主要是由于N空位能有效地吸附-活化O2和NO分子，同时能提高光生电子-空穴的分离效率（图1）。

该团队还在Bi2O2？xCO3纳米片表面氧空位处，原位还原负载了具有等离子效应的单质Bi纳米颗粒。通过Bi2O2？xCO3的表面缺陷态捕获电子，活化吸附于氧空位上O2进而转化为H2O2，而H2O2又可促进NO2向硝酸根离子的转化过程（图2）。活性测试结果也证实该光催化剂在可见光辐照30min后对NO去除效率高达50.5%。此外，该团队还通过一步水热法将氮掺杂碳量子点（NCDs）原位沉积在羟基锡酸锌（ZnSn(OH)6）空心立方体表面，巧妙地构筑了Z-型异质结，其独特的光生载流子传输机制不仅提高了电子和空穴的有效质量，更重要的是加速了表面分子氧的活化，使三元纳米复合物氧化还原能力最大化，显著提高了可见-近红外光辐照下NO去除效率和NO2选择性催化（图3）。开发了高效高效光催化纳米涂层技术，解决了g-C3N4粉体材料难以成膜的技术难题，也为低温TiO2基纳米光催化涂层的制备及负载提供新的思路，具有广阔的应用前景。以上系列研究为构建高活性及高NO选择性的纳米光催化空气净化材料提供了一种有效的表面空位修饰策略。

上述研究工作得到了国家重点研发计划“纳米科技重点专项”（2016YFA0203000）、国家自然科学基金（Nos. 41573138 and 51878644）等项目的支持资助。

详文见：

1）Zhenyu Wang，Yu Huang*，Meijuan Chen，Xianjin Shi，Yufei Zhang，Junji Cao，Wingkei Ho，Shun Cheng Lee；Roles of N-Vacancies over Porous g-C3N4 Microtubes during Photocatalytic NOx Removal，ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 10651-10662;

2）Yanfeng Lu，Yu Huang，Yufei Zhang，Tingting Huang，Haiwei Li，Jun-ji Cao，Wingkei Ho；Effects of H2O2 generation over visible light-responsive Bi/Bi2O2-x CO3nanosheets on their photocatalytic NOx removal performance，Chemical Engineering Journal, 2019, 363, 374–382;

3）Yanfeng Lu，Yu Huang，Jun-ji Cao，Haiwei Li，Wingkei Ho and Shun Cheng Lee；Constructing Z-scheme SnO2/N-doped carbon quantum dots/ZnSn(OH)6 nanohybrids with high redox ability for NOx removal under VIS-NIR light，Journal of Materials Chemistry A, 2019,7, 15782-15793；

4）Yu Huang，Pengge Wang，Zhenyu Wang，Yongfang Rao，Jun-jiCao，Shengyan Pu，Wingkei Ho，ShunCheng Lee；Protonated g-C3N4/Ti3+ self-doped TiO2nanocomposite films：Room -temperature preparation， hydrophilicity，and application for photocatalytic NOx removal，Applied Catalysis B：Environmental ,2019,240,122-131.

原文链接：

1）https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.8b21987

2）https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719301998

3）https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta03504d#!divAbstract

4）https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337318308166

图1 N空位修饰的g-C3N4形貌结构及光催化去除NOx机理示意图

图2 B/BOC-2样品在可见光照射下，反应系统中NO、NO2和NOx浓度随照射时间的相对变化

图3 在不同波长的光源照射下，ZHS, SnO2/ZHS, NCDs/ZHS and SnO2/NCDs/ZHS样品对NO去除活性随时间的变化关系(d)及相应的NO转化能力(e)。