ACS Catal.:将稳定的黑磷封装在UiO-66中促进电荷转移,并将其用于甲苯和邻二氯苯光催化氧化的性能、降解途径和机制研究

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第一作者:ong>Jinfeng Chen, Yang Yang


通讯作者:Xiaodong Zhang
通讯单位:University of Shanghai for Science and Technology
 
研究内容: 
对于光催化降解甲苯和二氯苯,本项工作提出了一种新的策略来增强电荷转移。Uio-66中的Zr原子通过Zr-P键提供的原子级电荷转移通道转移到黑磷(BP)上。Zr-P键的形成是采用Uio-66封装层使BP被氧化膜覆盖的关键,提高了BP-Uio的电荷转移能力,这一点也得到了一系列表征和理论计算的验证。亲水多孔网状UiO-66封装层赋予BP-Uio强的可见光捕获能力、电荷传输能力和光催化活性。此外,BP-Uio表现出促进氧化还原/酸性的特性,显著提高了水存在时对甲苯和二氯苯的催化降解活性。此外,利用原位红外(IR)研究甲苯和邻二氯苯降解过程的瞬态变化,确定采样时间,用于气相色谱-质谱(GC-MS)进一步分析,以细化污染物的降解途径。并对甲苯和邻二氯苯的光催化降解途径、电荷转移和自由基生成等机理进行了详细的讨论。通过化学键构建的电子转移以及原位IRGC-MS相结合有望为环境催化提供更完整的理论基础。
 


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要点一:
  Zr4+BP交联构建的Zr−P键是形成UiO-66封装层的关键步骤。在制备UiO-66封装层的过程中,Zr4+BP的空穴位置与P原子形成键合,增强了电荷转移,改善了载流子对的分离。

要点二:
  BPUiO的光催化反应速率先降低后升高,这是由于实验开始时水蒸气占据了催化剂的吸附位点,但随着反应的进行,更多的水转化为OH,导致光催化速率和效率的提高。


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1BP (A,C,E)BP−UiO(B, D, F)SEM(比例尺200 nm), HAADF-STEM(比例尺2 μm)HAADF-HRSTEM(比例尺5 nm)BP−UiO (G−L)HAADF-STEM Mapping(比例尺为50 nm); FIB-SEM (M−N;比例尺分别为10 μm5 μm)FIB横切面(O;比例尺为5 μm)BP−UiO图像; BP−UiO FIB-SEM Mapping(P−T;比例尺:2 μm)


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2BP (A)BP - UiO (B)AFM图像及其厚度分布(C)BPBP - Zr4+在水中分散的zeta电位图(D); BPBP−UiO (E)P 2p XPS谱;BPBP−UiO (F)NH3-TPD; 黑色磷化物上典型的两个Zr结合位点的图解:顶部和中空,以及对应的结合能(G)


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3: 在可见光照射480 min后,BPUiO-66BP/UiOBP−UiOBP−UiO -水对甲苯(A)和邻氯苯(B)的光催化曲线; BP−UiO纳米材料在可见光下原位FTIR光谱记录为辐射时间对气态甲苯(C)和邻氯苯降解的函数(D);甲苯和邻二氯苯的光催化降解途径(E)


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4EIS Nyquist阻抗图(A)UiO-66BP/UiOBP−UiO的瞬态光电流响应图(B); Mott−Schottky(C), 0.1 mV min1扫描速率下记录的CV(D),带隙(E,插入:UV−vis DRS),以及BP−UiO的带结构(F);PL光谱(G)BPBP - UiO纳米材料的TRPL (H)谱。


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5Zr−P键合前()和后()材料电子结构变化: 电子密度差图(A,D),其中粉红色代表电子过剩,绿色代表电子不足; 一张电子密度差图(B,E) 以及z轴上不同位置对应的层的xy平面上的静电势平均图(C,F)
 
参考文献:
Jinfeng Chen, Yang Yang, Shenghao Zhao, Fukun Bi, Liang Song, Ning Liu, Jingcheng Xu, Yuxin Wang, and Xiaodong Zhang. Stable Black Phosphorus Encapsulation in Porous Mesh-like UiO-66 Promoted Charge Transfer for Photocatalytic Oxidation of Toluene and o-Dichlorobenzene: Performance, Degradation Pathway, and Mechanism. ACS Catal. 2022, 12, 8069-8081.




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