光催化 | CEJ |基于仿生Fe-卟啉策略构筑MXene/MOFs光催化剂实现农药的绿色降解

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研究速览

■ 近日，广西大学赵祯霞教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Biomimetic O2-Carrying and Highly In-Situ H2O2 Generation Using Ti3C2 MXene/MIL-100(Fe) Hybrid via Fe-Protoporphyrin Bridging for Photo-Fenton Synergistic Degradation of Thiacloprid”的研究论文。该论文设计了一种具有类血红素结构的MXene/MIL(Fe)光催化剂。采用金属置换和自下而上的合成方法，在高导电的MXene结构中高分散嵌入Fe位点进而构筑高携氧能力的Fe-卟啉类血红素结构，在光照下实现了H2O2的原位快速生成，在零添加H2O2体系中实现了对农药噻虫啉的高效降解，为新烟碱类农药的绿色降解提供了新的思路。

▉  研究摘要  ▉

■ 光芬顿技术作为高级氧化技术的一种，因其具有氧化能力强，矿化效率高以及治理成本低等优点，成为水体污染物处理技术的研究热点之一。金属有机框架（MOFs）是一类具有多孔、高度结晶的有机/无机材料，具有多种可定制的配体/金属氧化物簇，因其在各种光催化中的应用而受到广泛关注。与其他单组分光催化剂一样，MOFs结构中大量的有机配体导致其导电能力较差，应用于光芬顿体系时，通常需要加入数十倍于污染物的H2O2以确保深度矿化。H2O2的大量添加极易对水体造成二次污染，严重阻碍了光芬顿技术的实际应用。

针对H2O2二次污染这一挑战，广西大学赵祯霞教授课题组开发了一种具有类血红素结构的MXene/MIL(Fe)光催化剂。采用金属置换和自下而上的方法，在高导电的MXene结构中高分散嵌入Fe位点进而构筑高携氧能力的Fe-卟啉类血红素结构，制备了MXene/MIL(Fe)纳米复合材料。类血红素Fe-卟啉结构显著增强了催化剂的携氧能力、原位H2O2产生能力、光捕获效率和载流子分离效率。携氧能力的提升显著增强了原位H2O2的产量，原位H2O2产率达到1175.2 μmol/L，为原始MIL-100(Fe)的12倍。光芬顿反应120分钟后，对噻虫啉的矿化率超过80%，降解速率为文献报道的同类催化剂的21-60倍，在零添加H2O2体系中实现了对农药噻虫啉的高效降解。

▉  研究要点1  ▉

■ 作者采用金属置换的方式，在还原剂抗坏血酸的保护下，将Fe位点高分散的嵌入MXene结构中，并通过Fe-N配位构筑了Fe-卟啉结构。SEM和EDS分析证明了Fe位点的高分散嵌入，以及原卟啉与Fe位点配位进一步形成类血红素Fe-卟啉结构。

图1. MXFAA/MIL(Fe)-POR合成示意图

图2. MXFAA/MIL(Fe)-POR微观形貌和元素分布分析 

▉  研究要点2  ▉

■ 作者采用X射线光电子能谱和同步辐射光谱分析证明了类血红素Fe-卟啉结构的成功构筑。此外，作者还研究了Fe-卟啉结构对催化剂电子结构的影响，结果表明Fe位点电子云密度显著上升，促进了Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化还原反应的进行。

图3. MXFAA/MIL(Fe)-POR结构分析

▉  研究要点3  ▉

■ 光芬顿降解实验结果表明，MXFAA/MIL(Fe)-POR在80 min内对农药噻虫啉的去除率接近100%，降解速率为文献报道同类催化剂的21-60倍。采用电化学工作站追踪了催化剂原位H2O2产量，MXFAA/MIL(Fe)-POR的产量达到1175.2 μmol/L，为原始MIL-100(Fe)的12倍。采用莫特-肖特基曲线和紫外光电子能谱分析了催化剂的带隙结构，结果表明复合后形成的肖特基节提升了光生电子的分离效率，加速了H2O2原位产生反应速率。

图4. MXFAA/MIL(Fe)-POR的光芬顿降解性能分析

图5. MXFAA/MIL(Fe)-POR的能带结构分析

▉  研究总结  ▉

■作者基于仿生类血红素Fe-卟啉策略，采用金属置换和自下而上的合成方法，制备了具有高携氧能力的MXene/MOFs复合材料，加速O2 + 2e- + 2H+ → H2O2反应的进行，显著提升催化剂原位产生H2O2的能力。合成的MXFAA/MIL(Fe)-POR原位H2O2产量达到1175.2 μmol/L，为原始MIL-100(Fe)的12倍。光芬顿反应120分钟后，对噻虫啉的矿化率超过80%，降解速率为文献报道的同类催化剂的21-60倍，在零添加H2O2体系中实现了对农药噻虫啉的高效降解，该项工作为新烟碱类农药的绿色降解提供了新的思路。

文章链接（阅读全文直达）：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722034507