核壳结构MOFs对室内VOCs的吸附-光催化协同效应

Volatile organic compounds (VOCs) are indoor air pollutants with short- and long-term adverse health effects despite their low concentrations. Photocatalysis and adsorption are two promising technologies for the removal of indoor VOCs. Based on the ultrahigh surface area and designability of MOFs, the applicant propose strategies to develop the synergetic effects of photocatalysis and adsorption on core-shell MOFs. To solve some key scientific problems, the effects of functional groups and core-shell structure of MOFs on band/electronic structure, adsorption capacity, surface chemical properties and photocatalytic behavior are to investigated. Light response of MOFs catalysts are expected to be extended to increase the utilization of sunlight by group functionalization, doping modification and/or composite coating. The method-structure-activity relationship will be elucidated based on the results of photocatalysis experiments for typical indoor VOCs removal. The degradation of VOCs on core-shell MOFs and the synergetic behavior of adsorption-photocatalysis will be clarified. Addressing the crucial scientific issues will benefit the indoor air quality control with theoretical supports.

VOCs是室内空气中的主要污染物，浓度低但危害大，吸附和光催化是净化室内空气污染物最具应用前景的两种技术。基于MOFs超高比表面积及优良可调控性，本研究提出通过构建核壳结构MOFs发挥其对室内VOCs的吸附-光催化协同效应。针对若干关键科学问题，本研究将明确官能团及核壳结构MOFs对能带结构、吸附能力、表面性质及光催化作用的影响，进一步优化合成方法及工艺条件；通过官能团修饰、掺杂改性、材料复合等手段，拓展MOFs材料的光响应范围，增加对太阳光的利用效率；将核壳结构MOFs应用于室内典型VOCs的降解（以苯系物为代表），建立合成工艺-微观结构-光催化性能的关系。通过分析催化剂表面污染物的降解过程，揭示核壳结构MOFs光催化降解VOCs的反应机理，结合催化剂物理化学性质分析，阐明其吸附-光催化高效去除VOCs的协同效应。本项目关键科学问题的解决将为我国室内空气VOCs的高效控制提供理论基础。

在该项目研究中，首先通过水热法和后修饰法制备了核壳结构的NH2-UiO-66@TiO2光催化剂，该催化剂展现出超大的比表面积和良好的可见光光吸收，并且通过异质结提高了光生载流子的分离效率产生更多的·OH和·O2−。这使得该催化剂在可见光降解甲苯展现出优良性能和稳定性。其次，通过简单水热得到F掺杂的TiO2纳米片，然后利用TiO2表面上的氟离子在氢气氛围中煅烧得到富含氧空位的样品F-TiO2-x。该样品在光催化降解四种室内典型VOCs（乙醛、乙酸乙酯、甲苯和丙烯腈）方面表现出优异的性能，高于商业P25。F- 和 Ti3+ 之间的强电子排斥有助于F-TiO2-x的类金属化，这有效地加速了光生电子的转移，并且F-和氧空位协同促进O2和H2O分子的吸附和活化形成自由基。在此基础上，我们通过超临界水热制的0D缺陷态的TiO2量子点，并将其与2D g-C3N4构建形成异质结。空位缺陷的0D/2D S型异质结具有较强的氧化还原能力、优异的界面电荷分离和转移效率以及无障碍H2O解离能力，从根本上改善了可见光照射下的光催化析氢性能。除此之外，探索了MXene基光催化剂在光催化CO2还原的应用。TiO2和Ru纳米颗粒原位水热生长在使用路易斯酸蚀刻法合成了Ti3CN MXene上，其CO和CH4生成率是商用P25的20.5和9.3倍。光催化活性的增强归因于Ru和Ti3CN MXene的帮助下，光诱导电荷的分离和转移进一步增加电子参与CO2还原反应。再者，通过静电自组装将硼掺杂的石墨碳氮化物与少量层Ti3C2-MXene结合。优化的复合材料在可见光下产生的CO和CH4产率分别是g-C3N4的3.2倍和8.9倍，并表现出优异的稳定性。复合材料表现出增强的光诱导载流子分离和加速的电荷传输，导致更好的光催化活性。