李灿院士团队JACS：3D 纳米锥结构TiO2光电催化降解污染物

通讯作者：李泽龙；李灿

通讯单位：兰州大学化学化工学院；大连化物所

有效地降解水中持久性污染物（如4-氯苯酚，4-CP）是解决日益严重的环境问题的一种手段。光电催化（PEC）污染物降解结合了电催化和光催化的优点（可将有机污染物降解为CO2和H2O），正在成为最有前途方法之一。

基于此，兰州大学化学化工学院李泽龙研究院和大连化物所李灿院士团队基于二氧化钛（TiO2）良好的性能和环境友好性，报告了一种具有优异降解性能和出色耐久性的TiO2纳米锥型光电催化剂，并探索不同形态如何影响PEC性能。相关工作以“Highly Efficient Degradation of Persistent Pollutants with 3D Nanocone TiO2‑Based Photoelectrocatalysis”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

图1. Na2EDTA辅助水热法合成不同结构TiO2催化剂。

详细地，具有3D锥形结构的TiO2光电催化剂主要是通过乙二胺四乙酸二钠（Na2EDTA）辅助水热法制备。该催化剂可促进4-CP的PEC降解，降解效率为99%，浓度为20 ppm时矿化效率高于55%。表观速率常数为5.05 h-1 g-1 m2。

进一步的表征表明，TiO2的锥形形态可以使光生电荷更有效地分离和转移，光生活性物种数量的大幅增加，从而产生出色的PEC活性。此外，计算流体动力学模拟表明，三维锥形结构有利于传质。

这项工作强调，在纳米尺度上调整光电催化剂的形态不仅促进了电荷转移，而且促进物质传输，共同提高了PEC在降解持久性污染物方面的性能。该工作为合理设计和制造光电极以有效降解污染物提供了一种有效的策略。

图2. 光电催化剂的结构表征：TiO2的（a）聚集颗粒、（b）纳米棒和（c）纳米锥的SEM图像；（d）TiO2纳米锥的SEM侧视图；（e）不同结构的TiO2光电催化剂的XRD图谱和（f）拉曼光谱。

图3. TiO2 NCs的PEC性能：（a）TiO2 NCs上4-CP降解的光电催化（PEC）、电催化（EC）、光催化（PC）和直接光解过程；（b）在4-CP的PEC降解过程中活性物质的捕获实验；（c）·OH和O2·-在黑暗和氙灯照射下的DMPO自旋捕获ESR光谱；（d）基于纳米锥的PEC工艺的降解过程示意图；（e）用于4-CP的PEC降解的TiO2 NC的循环运行；（f）TiO2 NCs在反应时间为7小时时的降解性能。

图4. CFD模拟：不同时间模拟后（a）TiO2 NCs和（b）TiO2 NRs上水流的体积分数幅度场；（c）TiO2 NCs和（d）TiO2 NRs上水流的速度大小等值线。

参考文献：

Rui Song, Haibo Chi, Qiuling Ma, Dongfeng Li, Xiaomei Wang, Wensheng Gao, Hao Wang, Xiuli Wang, Zelong Li, Can Li, Highly Efficient Degradation of Persistent Pollutants with 3D Nanocone TiO2-Based Photoelectrocatalysis, J. Am. Chem. Soc. 2021, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05008.