異氰酸酯鍵與巰基銅雙修飾MOF高效光降解磺胺甲惡唑污染物

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系江鴻教授課題組在光催化降解磺胺甲惡唑（SMX）廢水研究方面取得新進(jìn)展，報(bào)道了一種對金屬有機(jī)框架（MOFs）的新修飾方法。研究以ZIF-8為基底，針對其帶隙過大導(dǎo)致有限紫外光吸收和光生載流子快速復(fù)合，從而導(dǎo)致在實(shí)際的廢水處理中效率低、能耗過高等問題，使用熱氛圍處理與溶液輔助配體交換的方法將異氰酸酯鍵（-N=C=O）與銅絡(luò)合的巰基（-SCu）接枝到ZIF-8晶體上，得到改性的MOFs（NIF-SCu）。接枝基團(tuán)可以在ZIF-8的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間插入層間帶，從而為電子躍遷提供“階梯”，顯著提高SMX的降解效率及能量效率。相關(guān)研究成果于2022年9月7日以 “Enhanced Photoreactivity of MOFs by Intercalating Interlayer Bands via Simultaneous ?N=C=O and ?SCu Modificationy”為題發(fā)表在化工領(lǐng)域著名期刊AIChE Journal上。

NIF-SCu 表現(xiàn)出高光催化活性，在可見光-H2O2體系中能夠在30 min內(nèi)有效降解溶液中97.1%的磺胺甲惡唑。研究發(fā)現(xiàn)NIF-SCu 的光反應(yīng)性的顯著改善可歸因于-N=C=O基團(tuán)在350-450 nm范圍內(nèi)的光響應(yīng)增強(qiáng)和-SCu基團(tuán)拓寬MOF的可見光吸收范圍。NIF-SCu中交錯能級的形成還可以縮小帶隙，降低電阻，促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移，從而在-SCu導(dǎo)帶中產(chǎn)生具有強(qiáng)還原電位的電子。此外，接枝促進(jìn)了長距離“有效電子”參與光催化反應(yīng)，從而提高了ZIF-8的光催化效率。該研究為高吸附容量但低光催化活性的MOF提供了一種新的改性方法，從而有望實(shí)現(xiàn)污染物的大容量快速吸附并原位光降解再生策略。

圖1. 雙修飾后MOF物性變化

圖2. NIF-Scu光催化降解SMX的效果

通過引入測量系統(tǒng)的能耗和成本效率的“品質(zhì)因數(shù)”：EE/O（目標(biāo)污染物實(shí)現(xiàn)單個數(shù)量級降低所需的電能）評估了該催化過程能量效率。在此研究系統(tǒng)中，EE/O包括可見光能量消耗（EE/Ovis）和氧化劑消耗（Oxidant/O）。結(jié)果顯示在H2O2濃度為0.08 M，光源為0.1-0.2 kW下的都能獲得較優(yōu)的EE/O結(jié)果。

圖3. 不同光源功率和H2O2劑量對SMX降解所需的EE/O (kWh/m3)計(jì)算（光源功率范圍，0-600 W；H2O2濃度，0.08-0.28 M）

表1.不同光源下的最小EE/O值

該論文的第一作者為碩士生胡威飛。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金(21876166, 22076178）的支持。