贵金属限域MOFs材料对醛类-苯系物VOCs复合污染物的定向吸附-光催化降解

Combined pollution of volatile organic compounds (VOCs), including the aldehydes and benzene homologues, has been widely presented in the atmosphere, especially in indoor environment. It is much more difficult to be controlled than single pollution, and it threatens human health and natural environment. However, there is no effective treatment to control it so far. This project proposes a synergetic treatment method using the noble metal (Pt, Pd, Ag) confined metal-organic frameworks (MOFs) with the abilities of oriented adsorption and efficient visible light photocatalytic oxidation. The designed MOFs can adsorb hydrophilic aldehydes (formaldehyde, acetaldehyde) in the hydrophilic inner surface and hydrophobic benzene homologues (benzene, toluene, xylene) in the hydrophobic external surface, respectively, which makes it feasible to preferentially adsorb aldehydes-benzene homologues compounds in their own active sites. Thus the synergetic photocatalytic degradation of the pollution is realized. The physicochemical properties of the catalysts are charecterized to investigate the relationship between the structure of the materials and their photocatalytic performance, then to clarify the synergistic photocatalytic removal mechanism of the two kinds of compounds. These results will provide systematic theories and approaches to the development of efficient photocatalysts for air pollution control.

挥发性有机物（VOCs）中醛类和苯系物的复合污染已广泛存在于大气特别是室内环境中，较单一污染更复杂更难处理，对人类健康及生态环境构成严重威胁，但目前缺乏针对此复合污染的有效控制方法。本项目提出采用具有定向吸附能力和高效可见光响应的贵金属（Pt, Pd, Ag）限域负载金属有机骨架（MOFs）复合材料进行协同光催化氧化的控制方法，利用其孔道内表面亲水、外表面疏水的特性，将亲水性的醛类（甲醛、乙醛）和疏水性的苯系物（苯、甲苯、二甲苯）分别吸附在MOFs的内、外表面，实现醛类-苯系物混合气体在不同位点的分别优先吸附，进而实现污染物的协同高效催化降解。并利用各种分子表征手段研究复合光催化剂的结构-性能关系，考察复合催化剂对醛类和苯系物的选择性吸附-降解动力学耦合机制，阐明复合光催化剂对复合污染物体系中两类污染物协同作用机理，为开发基于复合污染控制的高效可见光催化VOCs处理技术提供基础与理论支撑。

挥发性有机物（VOCs）中的醛类与苯系物广泛存在于室内环境中，对人类健康与生态环境构成严重威胁，但目前针对复合污染缺乏研究。针对此问题，本项目采用具有定向吸附能力和高效可见光响应的贵金属限域负载金属有机骨架（MOFs）复合材料，利用其孔道内表面亲水、外表面疏水的特性，实现醛类-苯系物混合气体在不同位点的分别优先吸附，进而实现污染物的协同高效催化降解。首先利用溶剂蒸发法与热溶剂法合成了MOF-TiO2复合材料，MOF的大比表面积与孔道结构能促进反应物的扩散，同时复合材料的异质节极大提高了电子-空穴分离效率。在此基础上，通过双溶剂法成功制备了Pt@MIL-101/TiO2复合材料，其对单组分（甲苯、乙醛）或双组分（甲苯和乙醛）VOCs均具有优异的光催化活性和CO2生成量，贵金属Pt和TiO2分别均匀分散于MIL-101(Cr)的内外表面，由于组分间的紧密接触及协同作用，促使电子-空穴在复合材料间进行定向分离及转移，因而复合材料具有良好的光催化降解VOCs的性能。受此启发，用热沉积法制备了疏水性金属有机骨架复合材料MIL-101@PDVB，并通过原位水热的方法引入TiO2制备了紧密贴合的MIL-101@TiO2@PDVB疏水复合光催化材料，实现在高湿度下对甲苯的稳定光催化降解，并阐明其机理。此外，我们发现以MOF为前驱体通过热处理形成的衍生物不仅具有更高的稳定性，其形成的多级孔道能促进VOCs的吸附，其中，金属位点与多级孔道分别对含氧VOCs与苯系物的吸附起主要作用。我们还注意到，MOF衍生物作为助催化剂能显著提高TiO2的光催化活性，其单独作为光催化剂也展现出良好的光催化氧化能力，这都归因于衍生物的高电导率以及高分散的活性位点。以上结果为开发基于复合污染控制的高效可见光催化VOCs处理技术提供了理论支撑与实践基础。