异氰酸酯键与巯基铜双修饰MOF高效光降解磺胺甲恶唑污染物

太阳集团www0638应用化学系江鸿教授课题组在光催化降解磺胺甲恶唑（SMX）废水研究方面取得新进展，报道了一种对金属有机框架（MOFs）的新修饰方法。研究以ZIF-8为基底，针对其带隙过大导致有限紫外光吸收和光生载流子快速复合，从而导致在实际的废水处理中效率低、能耗过高等问题，使用热氛围处理与溶液辅助配体交换的方法将异氰酸酯键（-N=C=O）与铜络合的巯基（-SCu）接枝到ZIF-8晶体上，得到改性的MOFs（NIF-SCu）。接枝基团可以在ZIF-8的导带和价带之间插入层间带，从而为电子跃迁提供“阶梯”，显著提高SMX的降解效率及能量效率。相关研究成果于2022年9月7日以 “Enhanced Photoreactivity of MOFs by Intercalating Interlayer Bands via Simultaneous −N=C=O and −SCu Modificationy”为题发表在化工领域著名期刊AIChE Journal上。

NIF-SCu 表现出高光催化活性，在可见光-H2O2体系中能够在30 min内有效降解溶液中97.1%的磺胺甲恶唑。研究发现NIF-SCu 的光反应性的显著改善可归因于-N=C=O基团在350-450 nm范围内的光响应增强和-SCu基团拓宽MOF的可见光吸收范围。NIF-SCu中交错能级的形成还可以缩小带隙，降低电阻，促进光生载流子的转移，从而在-SCu导带中产生具有强还原电位的电子。此外，接枝促进了长距离“有效电子”参与光催化反应，从而提高了ZIF-8的光催化效率。该研究为高吸附容量但低光催化活性的MOF提供了一种新的改性方法，从而有望实现污染物的大容量快速吸附并原位光降解再生策略。

图1. 双修饰后MOF物性变化

图2. NIF-Scu光催化降解SMX的效果

通过引入测量系统的能耗和成本效率的“品质因数”：EE/O（目标污染物实现单个数量级降低所需的电能）评估了该催化过程能量效率。在此研究系统中，EE/O包括可见光能量消耗（EE/Ovis）和氧化剂消耗（Oxidant/O）。结果显示在H2O2浓度为0.08 M，光源为0.1-0.2 kW下的都能获得较优的EE/O结果。

图3. 不同光源功率和H2O2剂量对SMX降解所需的EE/O (kWh/m3)计算（光源功率范围，0-600 W；H2O2浓度，0.08-0.28 M）

表1.不同光源下的最小EE/O值

该论文的第一作者为硕士生胡威飞。该研究工作得到国家自然科学基金(21876166, 22076178）的支持。

文章链接：http://doi.org/10.1002/aic.17879.

（化学与材料科学学院，科研部）