鑽石舞台

■近日，廣西大學趙禎霞教授，在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發表題為「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」的研究論文。該論文設計了一種具有類血紅素結構的MXene/MIL(Fe)光催化劑。採用金屬置換和自下而上的合成方法，在高導電的MXene結構中高分散嵌入Fe位點進而構築高攜氧能力的Fe-卟啉類血紅素結構，在光照下實現了H2O2的原位快速生成，在零添加H2O2體系中實現了對農藥噻蟲啉的高效降解，為新煙鹼類農藥的綠色降解提供了新的思路。

■光芬頓技術作為高級氧化技術的一種，因其具有氧化能力強，礦化效率高以及治理成本低等優點，成為水體污染物處理技術的研究熱點之一。金屬有機框架（MOFs）是一類具有多孔、高度結晶的有機/無機材料，具有多種可定製的配體/金屬氧化物簇，因其在各種光催化中的應用而受到廣泛關注。與其他單組分光催化劑一樣，MOFs結構中大量的有機配體導致其導電能力較差，應用於光芬頓體系時，通常需要加入數十倍於污染物的H2O2以確保深度礦化。H2O2的大量添加極易對水體造成二次污染，嚴重阻礙了光芬頓技術的實際應用。

針對H2O2二次污染這一挑戰，廣西大學趙禎霞教授課題組開發了一種具有類血紅素結構的MXene/MIL(Fe)光催化劑。採用金屬置換和自下而上的方法，在高導電的MXene結構中高分散嵌入Fe位點進而構築高攜氧能力的Fe-卟啉類血紅素結構，製備了MXene/MIL(Fe)納米複合材料。類血紅素Fe-卟啉結構顯著增強了催化劑的攜氧能力、原位H2O2產生能力、光捕獲效率和載流子分離效率。攜氧能力的提升顯著增強了原位H2O2的產量，原位H2O2產率達到1175.2 μmol/L，為原始MIL-100(Fe)的12倍。光芬頓反應120分鐘後，對噻蟲啉的礦化率超過80%，降解速率為文獻報道的同類催化劑的21-60倍，在零添加H2O2體系中實現了對農藥噻蟲啉的高效降解。

■作者採用金屬置換的方式，在還原劑抗壞血酸的保護下，將Fe位點高分散的嵌入MXene結構中，並通過Fe-N配位構築了Fe-卟啉結構。SEM和EDS分析證明了Fe位點的高分散嵌入，以及原卟啉與Fe位點配位進一步形成類血紅素Fe-卟啉結構。

圖1. MXFAA/MIL(Fe)-POR合成示意圖

圖2. MXFAA/MIL(Fe)-POR微觀形貌和元素分布分析

■作者採用X射線光電子能譜和同步輻射光譜分析證明了類血紅素Fe-卟啉結構的成功構築。此外，作者還研究了Fe-卟啉結構對催化劑電子結構的影響，結果表明Fe位點電子云密度顯著上升，促進了Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化還原反應的進行。

圖3. MXFAA/MIL(Fe)-POR結構分析

■光芬頓降解實驗結果表明，MXFAA/MIL(Fe)-POR在80 min內對農藥噻蟲啉的去除率接近100%，降解速率為文獻報道同類催化劑的21-60倍。採用電化學工作站追蹤了催化劑原位H2O2產量，MXFAA/MIL(Fe)-POR的產量達到1175.2 μmol/L，為原始MIL-100(Fe)的12倍。採用莫特-肖特基曲線和紫外光電子能譜分析了催化劑的帶隙結構，結果表明複合後形成的肖特基節提升了光生電子的分離效率，加速了H2O2原位產生反應速率。

圖4. MXFAA/MIL(Fe)-POR的光芬頓降解性能分析

圖5. MXFAA/MIL(Fe)-POR的能帶結構分析

■作者基於仿生類血紅素Fe-卟啉策略，採用金屬置換和自下而上的合成方法，製備了具有高攜氧能力的MXene/MOFs複合材料，加速O2 + 2e- + 2H+ → H2O2反應的進行，顯著提升催化劑原位產生H2O2的能力。合成的MXFAA/MIL(Fe)-POR原位H2O2產量達到1175.2 μmol/L，為原始MIL-100(Fe)的12倍。光芬頓反應120分鐘後，對噻蟲啉的礦化率超過80%，降解速率為文獻報道的同類催化劑的21-60倍，在零添加H2O2體系中實現了對農藥噻蟲啉的高效降解，該項工作為新煙鹼類農藥的綠色降解提供了新的思路。

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