中國科學技術大學應用化學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展，報道了一種對金屬有機框架（MOFs）的新修飾方法。研究以ZIF-8為基底，針對其帶隙過大導致有限紫外光吸收和光生載流子快速復合，從而導致在實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）。接枝基團可以在ZIF-8的導帶和價帶之間插入層間帶，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”為題發表在化工領域著名期刊AIChE Journal上。

NIF-SCu 表現出高光催化活性，在可見光-H2O2體系中能夠在30 min內有效降解溶液中97.1%的磺胺甲惡唑。研究發現NIF-SCu 的光反應性的顯著改善可歸因于-N=C=O基團在350-450 nm范圍內的光響應增強和-SCu基團拓寬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，促進光生載流子的轉移，從而在-SCu導帶中產生具有強還原電位的電子。此外，接枝促進了長距離“有效電子”參與光催化反應，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，從而有望實現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

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

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基金(21876166, 22076178）的支持。

來源: 中國科大新聞網