双金属MOF光-Fenton体系的构建及催化降解微污染物的研究

Micro-pollutants in water have low concentrations while have raised serious concerns about their adverse effects on aquatic ecology and public health. For the removal of micro-pollutants, problems arise from the low reaction efficiency, the harsh pH range, and the less active sites, which result in a low degradation rate. This project aims to design a novel Bimetal-MOF Photo-Fenton System, which not only greatly enhances the generation of hydroxyl radical (·OH), retains the catalytic performance in a wide pH range and reduces the recombination of photogenerated electron and hole pair. This design is expected to degrade the micro-pollutants effectively. Herein, two points are focused on. Firstly, the second metal ions and conductive polymer are put into pre-constructed MOF with ultra-high physicochemical stability by using post-modification strategy to build the Bimetal-MOF Photo-Fenton System; Secondly, the reaction system is applied in the degradation of PPCPs and the structure-performance relationships are studied to explore the degradation mechanism of PPCPs. This project has fundamental and applied significance by serving to enrich the family of Fenton processes for water treatment, and to add novel approach for the treatment of micro-pollutants in water.

水中有机微污染物含量低，危害大。单金属MOF-Fenton体系反应效能低，反应条件苛刻，活性位点少，导致污染物去除率低。本项目旨在构建双金属MOF光-Fenton反应体系，通过“后修饰”策略调节MOF微环境，形成双金属协同效应，有利于羟基自由基(·OH)的生成，拓宽Fenton反应的pH范围；引入导电聚合物，降低了光生电子-空穴的复合率，从而达到提高单金属MOF-Fenton反应效能及稳定性的目的。研究重点在于：1) 使用“后修饰”策略，在选定的具有极高物理化学稳定性的MOF中，引入第二金属离子及导电聚合物，构建高效、高稳的双金属MOF光-Fenton反应体系；2) 将反应体系用于降解微污染物PPCPs，探究双金属MOF的光-Fenton体系的构效关系与其对PPCPs的降解机理。本项目研究结果可丰富Fenton水处理工艺的种类，也可为水中微污染物的处理提供新方法，有重要理论价值和实际意义。

随着能源危机的提出及环境污染问题的恶化，人类社会对新型可再生能源的需求与日俱增。光电催化制氢作为一种能够在室温条件下利用太阳能直接将水裂解为氢气和氧气的能源转化方法，近些年来逐渐成为能源转化领域的宠儿。然而在目前绝大部分光电解水的太阳能转化效率受到固有的宽禁带和易聚集的严重制约。因此，如何设计并构建出新型光催化材料是该目前该研究领域的瓶颈之一。本项目针对太阳能高效光解水材料的可控制备和微污染物光催化降解的关键科学问题进行原创性研究。. 主要科学发现如下：. （1）创新性地发展了一种界面电荷调控策略，在ZnFe2O4/TiO2中引入C层而形成的中空结构光催化剂克服了TiO2自身的缺陷，极大地提升光生载流子电子空穴分离的能力从而提高其微污染物光催化降解性能。为高效光电材料的可控制备提供了新方法。. （2）构筑了多元Ti-MOF/COF复合材料助力光催化HER，获得最佳性能催化材料，并深入研究其作用机制。在此基础上进一步实现了克服传统催化剂固有的宽禁带和易聚集的制约，为高效光催化材料的构建提供了新的设计思路。. 资助期内研究进展顺利，国际知名学术刊物上发表21806027标注的SCI收录论文4篇，其中封面论文1篇，入选Angew. Chem. Int. Ed. VIP论文1篇。. 科学意义：本项目阐明了光催化剂材料的形貌、结构、成分等与光催化性能的相互作用关系，进而设计和制备出几种高效稳定的光催化材料，并探索了高效稳定的HER系统，为新型光催化材料的设计与制备和太阳能利用与氢能技术发展提供科学基础。研究成果增进了环境和能源材料的物理与化学知识。