黑龙江大学井立强Small Struct.：超小纳米Ag界面调控FePc/多孔Ti(HPO₄)₂ Z型异质结体系光催化CO氧化

大气污染是环境污染问题中亟待解决的关键问题之一，其中典型的有毒气态污染物一氧化碳（CO）的转化和去除一直是空气净化的重要考虑因素。相比于传统CO处理方法，太阳能驱动的光催化技术提供了一条绿色、可持续的途径以实现CO氧化。在众多光催化材料中，磷酸钛(Ti(HPO₄)₂)因其合适的能带、丰富的孔结构和良好的吸附能力等优点，在光催化氧化CO方面表现出大的应用潜力。然而，Ti(HPO₄)₂的光催化性能依然受限于其固有的紫外光响应、较差的电荷分离及氧活化能力不足等。因此，合理设计并制备宽光谱响应、具有高效电荷转移及分离且富含氧活化位点的Ti(HPO₄)₂基光催化体系是实现高效CO转化的关键。

黑龙江大学井立强教授课题组设计合成了超小Ag纳米粒子(≈4 nm) 调控的FePc/多孔Ti(HPO4)₂纳米片 (FePc/Ag/TiP NS) Z型异质结用于高效光催化CO氧化。优化后最佳样品的光催化活性约为TiP的10倍，甚至优于商业TiO₂ (P25)。实验结果表明，光催化活性提高主要归因于FePc和TiP纳米片之间加速的Z型电荷转移与分离、FePc引入的Fe-N₄氧活化中心及拓宽的可见光响应。嵌入TiP纳米片孔隙中的超小Ag纳米粒子能够诱导TiP纳米片的光生电子向界面定向迁移，并有效诱导FePc高分散从而增加其在TiP 纳米片上的最佳负载量，这样协同促进了TiP NS和FePc之间的Z型电荷转移和分离。此外，通过原位漫反射红外光谱和近常压XPS能谱揭示了光催化氧化CO的反应机理。CO首先与TiP 纳米片的表面羟基形成吸附于TiP纳米片表面的中间体-OH-OC⁺，随后与FePc中的Fe-N₄位点所活化形成的 ·O₂⁻反应生成CO₂。本工作为构建Ti(HPO₄)₂基Z型异质结光催化剂用于环境净化提供了一种新的设计思路。同时，作者指出通过进一步引入缺陷等以高效利用太阳光也是优化其光催化性能的可行途径。

图1 结构表征。4FePc/1.5Ag/TiP NS 异质结的 (a) 透射电子显微镜 (TEM) 图像，(b) 高角环形暗场扫描透射电子显微镜和 EDS mapping图像；4FePc/1.5Ag/TiP NS的 (c) 原子力显微镜 (AFM) 图像和 (d) 相应的高度分布；系列样品的 (e) 紫外-可见漫反射 (DRS) 光谱、(f) 傅里叶变换红外 (FT-IR) 光谱和 (g)拉曼光谱；(h) FePc、4FePc/TiP NS和4FePc/1.5Ag/TiP NS 异质结的 N 1s XPS能谱。

图2 电荷分离和光催化活性。(a) TiP NS、1.5Ag/TiP NS、4FePc/TiP NS和4FePc/1.5Ag/TiP NS异质结的与产生的羟基自由基含量相关的荧光光谱；(b) 系列样品的光催化CO氧化活性。

图3 反应过程机制。TiP NS、1.5Ag/TiP NS、4FePc/TiP NS 和 4FePc/1.5Ag/TiP NS 异质结的 (a) O₂-程序升温脱附 (TPD) 曲线和 (b) CO₂-TPD 曲线；(c) 不同时间间隔内在 TiP NS、4FePc/TiP NS 和 4FePc/1.5Ag/TiP NS 异质结上共吸附 CO 和 O₂ 混合物的DRIFTS光谱；(d) 4FePc/1.5Ag/TiP NS 异质结的近常压XPS能谱。

图4 FePc/Ag/TiP NS异质结的光生电荷转移机制和涉及的CO转化过程示意图

论文信息：

Interface Modulation of FePc/Porous Ti(HPO₄)₂ Z-Scheme Heterojunctions with Ultrafine Ag for Efficiently Photocatalytic CO OxidationXinjia Zhang, Yanduo Liu, Liqiang Chen, Zhijun Li, Wei Wu, Ji Bian*, Liqiang Jing*Small StructuresDOI: 10.1002/sstr.202200011

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Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。

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