山東大學(xué)黃柏標(biāo)課題組報(bào)道了一種通過(guò)設(shè)計(jì)親核和親電位點(diǎn)修飾TiO2以增強(qiáng)光催化臭氧化反應(yīng)的策略。與TiO2相比，表面羥基修飾的TiO2與臭氧之間的相互作用大大提高，促進(jìn)了其對(duì)臭氧吸附和活化能力、同時(shí)增強(qiáng)了光生載流子的分離，展現(xiàn)出優(yōu)異的污染物降解效率。
光催化臭氧氧化(Photocatalytic Ozonation)作為一種強(qiáng)大的高級(jí)氧化工藝，在室溫下處理難以降解的有機(jī)污染物方面受到了廣泛的關(guān)注。盡管該技術(shù)的整體降解效率很高，但仍存在臭氧利用率低等問(wèn)題，其主要原因是臭氧的活化效率低。通常，光催化臭氧化反應(yīng)發(fā)生在催化劑表面，臭氧吸附隨后轉(zhuǎn)化為活性氧 (Reactive Oxide Species)。因此，在催化劑表面設(shè)計(jì)高效的活性位點(diǎn)對(duì)于提高臭氧利用率至關(guān)重要。 表面改性是改變材料表面性質(zhì)的一種有效方法，它可以通過(guò)調(diào)整材料表面的能帶結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)來(lái)提高催化活性。臭氧分子的特殊結(jié)構(gòu)允許它作為親電和親核試劑。這啟發(fā)我們，合理設(shè)計(jì)催化劑表面的親核和親電位點(diǎn)將有利于促進(jìn)臭氧的吸附與活化。表面羥基已被證明在多種催化過(guò)程中促進(jìn)物質(zhì)活化，同時(shí)具有親核和親電位點(diǎn)。但據(jù)我們所知，羥基在光催化臭氧活化中的作用并不清晰，有待深入的研究。 基于以上考慮，山東大學(xué)黃柏標(biāo)課題組設(shè)計(jì)了表面羥基修飾的TiO2(記為T(mén)iO2-OH)，用于光催化臭氧氧化，并研究了表面羥基對(duì)臭氧活化和分解轉(zhuǎn)化的作用。基于密度泛函理論的計(jì)算、原位漫反射傅立葉變換紅外光譜和電子順磁共振的結(jié)果表明，由于親核O位和親電H位的存在，表面羥基極大地促進(jìn)了臭氧的吸附。此外，表面羥基修飾使催化劑表面電子云密度增加，導(dǎo)致表面吸附的臭氧內(nèi)部發(fā)生極化；同時(shí)表面羥基增強(qiáng)了光生載流子的分離，這都有利于促進(jìn)臭氧的活化和活性氧的形成。因此，TiO2-OH表現(xiàn)出優(yōu)異的污染物去除效率。這項(xiàng)工作系統(tǒng)闡明了在光催化臭氧化過(guò)程中，表面羥基在臭氧活化和分解轉(zhuǎn)化中的作用，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，為設(shè)計(jì)高效的光催化臭氧化催化劑提供了思路。 論文信息 Enhanced Photocatalytic Ozonation Using Modified TiO2 With Designed Nucleophilic and Electrophilic Sites Shaozhi Liu, Guangyao Zhai, Honggang Zhang, Shenghe Si, Yuanyuan Liu, Yuyin Mao, Zeyan Wang, Hefeng Cheng, Peng Wang, Zhaoke Zheng, Ying Dai, Baibiao Huang Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202401380
