孔径调变MOF/TiO2光催化剂复合材料的精准制备及其对室内VOCs的吸附富集与光催化协同降解

Metal organic framework (MOF) is a new functional material, which its pore size, pore chemical environment and porosity can be well adjusted on molecular level, holds great promise as photocatalyst and absorbent because of its unique property. This project focus on synthesis of MOF/TiO2 nanocomposite and its application on the treatment of indoor Volatile Organic Compounds (VOCs) through synergistic effect of adsorption concerted and photocatalytic oxidation of indoor VOCs. (1) A series of MOF/TiO2 with same topology structure and different physical properties will be synthesized by modulating the multi-dentate ligand. The effect of porosity and surface chemical property of MOFs on selective absorption of VOC will be investigated; (2) The band alignment of composite will be modulated by metal oxide cluster doping to further optimize the removal efficiency of indoor VOCs. Based on the analysis of VOC degradation pathway, systematic characterization of catalysts and analyzing the kinetic reaction model, the effect of the bandgap alignment between MOF and semiconductor on separation of the photo-generated electron and hole will be discussed; (3) Increase of the catalytic active sites by chelating single metal atom on the multi-dentate ligands of MOF; (4) Based on DFT calculation, the intrinsic relationship of different composites on adsorption concerted photocatalytic oxidation of indoor VOCs will be elucidated.

金属有机骨架化合物是一种孔道化学环境、孔尺寸和孔隙率在分子层次上高度可设计性的多功能材料，作为光催化剂和吸附剂具有独特的优势。本课题拟合成具有高比表面积的MOF/TiO2复合材料，以实现对室内VOCs的吸附富集与原位光催化协同降解。(1) 通过对有机多齿配体进行调控，制备一系列具有相同拓扑结构但不同孔化学环境、孔尺寸和孔隙率的复合材料，考察不同孔结构和表界面性质对室内VOC选择性吸附性能影响; (2) 对MOF金属氧化物纳米簇进行掺杂与改性来调节MOF的能带位置或有机配体功能化以实现复合材料的能带剪裁，考察MOF与半导体材料能带构效关系及其对光生电子空穴分离效率的影响；(3) 通过将单原子金属鳌合在有机多齿配体上，形成单原子催化中心，增加复合材料反应活性位点；(4) 结合DFT理论计算，从分子层次上深入探讨其微观反应机制；从而揭示复合材料对污染物的吸附富集与光催化降解协同作用的规律。

挥发性有机化合物（VOCs）作为重要的气态污染物，不仅包括许多有毒有害物质，还是形成有机气溶胶、PM2.5与臭氧的重要前体物。极大地影响环境质量和人体健康,开发高效率的净化材料及工艺技术势在必行。因此，本课题以大比表面积金属有机骨架材料（MOFs）以及有序介孔硅材料为载体，选用二氧化钛、三氧化钼、PdAg和Pd纳米颗粒作为活性组分制备了一系列吸附富集型光热催化剂并应用于典型VOCs催化氧化。主要研究内容如下：（1）通过调节反应时间、半导体种类、MOFs有机配体种类等参数制备了具有不同空间结构和组成的TiO2/MOFs、MoO3-x/MOFs，和Pd/Ti-SBA-15等催化剂；（2）通过对MOF和TiO2空间结构进行进行调整，考查不同复合材料对VOCs吸附性能；（3）单原子Pd和Pd纳米颗粒催化剂的设计与制备，及对不同VOCs催化氧化性能；（4）采用原位红外、质子传递反应飞行时间质谱仪（PTR-TOF MS）等仪器表征催化剂催化氧化过程中产生的中间产物，同时揭示不同VOCs在催化剂表面催化氧化历程及反应机理。