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南京理工大学王风云、夏明珠团队CEJ:在g-C3N4/NiCo2O4中构建增强的内建电场以促进PMS的活化

时间:2023-09-06 来源: 浏览:

南京理工大学王风云、夏明珠团队CEJ:在g-C3N4/NiCo2O4中构建增强的内建电场以促进PMS的活化

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第一作者: 毛帅
通讯作者: 夏明珠、王风云
通讯单位 : 南京理工大学化学与化工学院
图片摘要
成果简介

近日,南京理工大学化学与化工学院夏明珠研究员和王风云教授团队在环境领域著名学术期刊 Chemical Engineering Journal 上发表了题为 “Construction of an enhanced built-in electric field in S-doped g-C 3 N 4 /NiCo 2 O 4 for boosting peroxymonosulfate activation” 的论文 。本文研究了内建电场强度对复合催化剂( g-C 3 N 4 /NiCo 2 O 4 )活化 PMS 性能的影响。以硫脲为前驱体制备了 S 掺杂 g-C 3 N 4 ( CNS ),随后通过热回流处理构建了 CNS/NiCo 2 O 4 复合催化剂( CNS/NCO ),并表现出优异的活化 PMS 降解四环素( TCH )的催化性能。实验和理论计算表明, S 掺杂不仅扩大了 CNS 和 NCO 功函数的差异,而且增强了 CNS/NCO 异质结的内建电场强度,这导致更多的电子从 CNS 定向转移到 NCO ,加速了 Co(III)/Co(II) 和 Ni(III)/Ni(II) 氧化还原循环以形成更多的活性氧化物种( ROSs ) 。

引言

近年来,基于 PMS 的高级氧化工艺备受关注。由于结构的不对称性, PMS 分子很容易被光、热、超声波、过渡金属离子等激活。其中,过渡金属离子(尤其是 Co 2+ )具有优异的活化性能,易于操作和低能耗,受到广泛研究。然而,均相离子在溶液中很难回收,会造成水体的二次污染。因此,钴基氧化物材料成了研究的热点。尖晶石 NiCo 2 O 4 ( NCO )由于其比表面积大、电化学活性高和电子接收效率优异等优点,在超级电容器领域得到广泛应用。此外, NCO 具有合适的带隙和丰富的活性位点,因此也被应用于光催化和 PMS 活化 。

二元多相催化剂已广泛应用于活化 PMS 降解污染物的催化反应中。研究表明两组分之间存在定向的电子转移,并且内建电场( BIEF )被认为是电子转移的驱动力,但是尚未研究 BIEF 强度对二元复合催化剂介导的 PMS 活化系统中催化性能的影响。 BIEF 是由不同组分中电荷极化不均匀引起的,其强度可以通过扩大组分间功函数( W f )的差异来增强。我们选择理论 W f 低于 NCO 的 g-C 3 N 4 作为耦合剂,其基本结构单元中包含多个对孤电子,是一种优秀的电子供体。此外,先前的研究表明,通过简单的元素掺杂可以改变 g-C 3 N 4 的 W f ,其中, S 掺杂可以显著降低其 W f

图文导读

图 1 :( a ) XRD, ( b ) FT-IR 和( c ) N 2 吸附 - 脱附谱图

XRD 和 FT-IR (图 1a-b )结果证实了 CNS 和 NCO 之间的物理结合。在 N 2 吸附 - 脱附谱图中(图 1c ),所有样品均表现出 IV 型等温线和 H3 型磁滞回线,表明存在介孔。 CNS 和 CN 的比表面积分别为 26.8 和 9.5 m 2 /g 。当它们与少量 NCO 复合时, CNS/NCO 和 CN/NCO 的比表面积增加至 67.3 和 57.3 m 2 /g ,高于单一的 NCO ( 56.1 m 2 /g )。一方面, CNS ( CN )的存在抑制了 NCO 的团聚,另一方面可能是由于 NCO 在 CNS ( CN )表面的原位生长影响了 CNS 的表面结构 。

图 2 :( a ) NCO ,( b ) CNS 和( c ) CNS/NCO 的 SEM 图;( d, e ) NCO ,( f, g ) CNS/NCO 的 TEM 图;( h ) CNS/NCO 的 HAADF 图像和 EDX 元素分布图谱

从 SEM 中可以发现(图 2c ), NCO 仍然保持片状结构并稀疏地覆盖在 CNS 表面,而 CNS 变得更加蓬松和粗糙,这导致了更大的比表面积。 CNS 和 NCO 之间清晰的界面表明这两种成分紧密结合(图 2g ),这有利于电子的定向转移 。

图 3 : CNS 、 NCO 和 CNS/NCO 的( a ) XPS 全谱、( b ) C1s 、( c ) N 1s 、( d ) S 2p 、( e ) Co 2p 、( f ) Ni 2p 和( g ) O 1s 高分辨谱图

使用 XPS 分析了 CNS 、 NCO 和 CNS/NCO 的表面化学状态。如图 3a 所示, C 、 N 、 S 、 Ni 、 Co 和 O 元素在 CNS/NCO 中共存,表明 CNS 与 NCO 成功复合。 CNS/NCO 中 C–O 键的含量明显大于 CNS 中的含量,说明 CNS 和 NCO 通过 C–O 化学键结合(图 3b )。 S 2p 谱图可以拟合出两个峰(图 3d ),其中, 168.9 eV 处的峰属于 S–SO 4 2– 键,另一个峰归因于 C–S 键( 164.7 eV ),它是由 S 取代晶格 N 原子形成的。值得注意的是,与 NCO 和 CNS 相比, CNS/NCO 中 S 、 Co 和 Ni 峰的结合能发生了偏移,表明 CNS 和 NCO 之间存在强烈的化学相互作用。 Co 和 Ni 的结合能降低意味着这两个原子周围的电荷密度增加,而 S 原子与之相反,因此,可以推测 CNS 向 NCO 提供电子 。

图 4 :不同系统中( a )和( c ) TCH 的降解,( b )和( d )相应的反应动力学;不同系统中( e ) PMS 消耗效率,( f ) TOC 去除效率和( g )钴 / 镍浸出浓度

 如图 4c 所示,没有催化剂的情况下,仅通过 PMS 自分解氧化 TCH 可以忽略不计。在 PMS 和催化剂共存时, CNS 未能有效活化 PMS , 30 min 内对 TCH 的去除为 39.5% 。相比之下, NCO 在活化 PMS 降解 TCH 的过程中表现更加出色, TCH 的降解率达到 69.8% ,这表明 NCO 在 PMS 活化中起着主要作用。令人惊讶的是, CN/NCO 不仅表现出增强的 TCH 吸附性能,吸附率为 20.1% ,而且对 TCH 的降解性能也明显提升,达到了 81% 。 CNS/NCO 对 TCH 的吸附和降解性能进一步改善, 30 min 内降解率达到 96.9% ,其 k 值( 0.291 min –1 )分别是 CNS ( 0.025 min –1 )、 NCO ( 0.073 min –1 )和 CN/NCO ( 0.169 min –1 )的 11.6 、 3.9 和 1.72 倍(图 4d )。此外,与 NCO 相比, CNS/NCO 和 CN-NCO 体系中 Co 2+ ( Ni 2+ )的浸出量明显降低,从 8.9 ( 6.5 )降至 0.51 ( 0.28 )和 0.57 mg/L ( 0.23 mg/L )(图 4g ),这得益于 CN 中的孤对电子可以有效吸附和保留 Co 2+ 和 Ni 2+ 。上述结果表明, CNS 和 NCO 复合后的协同作用不仅可以抑制 Co 2+ 和 Ni 2+ 的浸出,还可以加速 PMS 的活化,从而提高 TCH 的降解效率,并且在 S 原子掺杂后效果更明显 。

图 5: ( a )和( b )不同自由基清除剂对 CNS/NCO/PMS 体系中 TCH 降解的影响;( c )不同条件下 PMS 的分解率(反应条件: PMS = 1.2 mmol/L, MeOH = 1 mol/L, TBA = 1 mol/L and FFA = 20 mmol/L ),( d )溶剂置换( H 2 O→75%D 2 O )对 TC 降解的影响(插入的图为相应的 k 值; DMSO 2 的( e )色谱,( b )分子结构和( c )质谱

在活性物种鉴定实验中可以发现(图 5a 和 b ), TBA 的加入对 TCH 的去除影响最弱,而 FFA 的抑制效果最明显,降解率分别下降到 86.5% 和 50.7% 。此外,当 TEMPOL 和 MeOH 被分别添加到反应溶液中时, 30 min 内 TCH 的去除率分别为 76.3% 和 74% 。为了进一步验证 1 O 2 的存在,在 75% D 2 O 中进行了 TCH 的降解实验,因为 1 O 2 在 D 2 O 中的寿命更长。正如预期的那样, TCH 在 D 2 O 中的降解速率比在去离子水中更快, k 增加了 1.2 倍(图 5d ),表明在 CNS/NCO/PMS 系统中确实存在 1 O 2 。

高价金属氧( High-valent metal-oxo , HVMO )物种可以在 PMS 活化反应中作为重要的中间氧化剂,它是一种强大非自由基反应物质,能高效降解具有供电子基团的有机污染物。由于 HVMO 可以很容易地将二甲基亚砜( DMSO )氧化为 DMSO 2 ,并且该途径与 •OH 和 SO 4 •− 介导的途径截然不同,因此 DMSO 可以用作探针来验证高价钴氧( Co IV =O )在系统中的存在。当向溶液中加入 DMSO 时, TCH 的去除率降至 69.4% ,表明 Co IV =O 在 TCH 降解中具有重要作用。此外,在反应后溶液中检测到 DMSO 2 (图 5e-g ),这进一步证明了 Co IV =O 的存在。至此,可以推测出 •OH 、 SO 4 •− 、 •O 2 − 、 1 O 2 和 Co IV =O 均参与了 TCH 的降解,其中 1 O 2 起主要作用,其次是 Co IV =O 、 SO 4 •− 、 •O 2 − 和 •OH。

图 6: ( a ),( b ) DMPO 和( e ) TEMP 作为捕获剂的 EPR 谱;( d ) N 2 或 O 2 对 TCH 去除率的影响

此外,使用电子顺磁共振技术验证了上述参与 TCH 降解的 ROSs ,其中, DMPO 和 TEMP 分别用作 •OH 、 SO 4 •− 和 •O 2 − 以及 1O 2 的自旋捕获剂。如图 6a-c 所示,在单独使用 PMS 的情况下,没有检测到明显的特征峰,表明可以忽略通过 PMS 自分解产生 ROSs 的途径。然而,当 PMS 和 CNS/NCO 共存时,可以清楚地观察到对应于不同 ROSs 的特征峰,包括 DMPO−•O 2 − (图 6a )、 DMPO−SO 4 •− /•OH (图 6b )和 TEMP− 1 O 2 (图 6 c ),与自由基淬灭结果一致。值得注意的是,随着反应时间从 1 min 延长到 3 min , EPR 图谱中特征峰的强度变得更强,表明 CNS/NCO/PMS 系统中 ROSs 的产生具有时间依赖性。

图 7: 反应前后 CNS/NCO 的 XPS 光谱( a ) Co 2p ,( b ) Ni 2p ;( c )由 He I ( hν = 21.22 eV )测量的样品的 UPS 光谱,( d )测试得到的和( e-g )计算得到的 CN 、 CNS 和 NCO 的 W f

在 PMS 活化体系中,一般认为过渡金属是主要的活性位点,因此探索了反应前后 CNS/NCO 中 Co 和 Ni 的价态变化。如图 7a 和 b 所示, Co(III)/Co(II) 和 Ni(III)/Ni(II) 的比值分别从 1.25 和 0.125 增加到 1.31 和 0.158 ,数值变化很小,这一方面表明 Co 和 Ni 都作为活性位点参与了 PMS 活化。另一方面,说明 Co(II) 和 Co(III) 以及 Ni(II) 和 Ni(III) 之间的循环是一个快速过程,这受益于从 CNS 到 NCO 的连续电子传输。图 3 的 XPS 分析结果已经初步表明,当 CNS 与 NCO 复合时, NCO 的外层电子云密度增加,而 CNS 的外层电子云密度降低,说明存在从 CNS 向 NCO 转移电子的路径。根据能带理论,材料的功函数 W f 可以决定电子转移行为,电子会自发地从 W f 较低的材料转移到 W f 较高的材料。因此,通过紫外光电子能谱( UPS )以及 DFT 计算来表征 CNS 和 NCO 的 W f 。如图 7c 所示,当费米能级 E f 与 0 eV 一致时, CN 、 CNS 和 NCO 的二次电子截断能( Ecut-off )可以由 x 轴上两条切线的截距确定,分别为 17.38 、 17.86 和 16.98 eV 。根据方程,最后得出 CN 、 CNS 和 NCO 的 W f 分别为 3.84 、 3.36 和 4.24 eV (图 6.14 ( d ))。 DFT 计算也得到类似的结果, CNS 的 W f 最小,其次是 CN 和 NCO ,分别为 4.31 、 5.56 和 6.01 eV (图 7e-g )。基于以上分析,可以得出以下结论,当 CN ( CNS )与 NCO 接触时, CN ( CNS )的表面电子会自发地转移到 NCO 中,分别在 CN ( CNS )一侧和 NCO 一侧形成电荷消耗和电荷累积空间,从而形成从 CN ( CNS )到 NCO 的定向内建电场( BIEF )。

图 8: ( a ) CN/NCO 和( b ) CNS/NCO 的差分电荷密度;( c ) CN/NCO 和( d ) CNS/NCO 沿 z 轴的平面平均差分电荷密度

差分电荷密度能直观地展示了电荷在复合材料中的分布。如图 8a 所示,青色区域(电荷消耗)主要分布在 CN 上,而黄色区域(电荷聚集)主要分布在 NCO 上,这很好地证明了 CN 中的部分电子转移到 NCO 中,且与 XPS 和 W f 分析结果一致。此外,在相同的等值面值下, CNS/NCO 中青色和黄色区域的覆盖范围更广,并且更集中于 CNS 和 NCO 上(图 8b ),表明 CNS/NCO 界面处的电荷相互作用更强。图 8c 和 d 分别描绘了 CN/NCO 和 CNS/NCO 沿 z 轴的平面平均差分电荷密度,其中正、负 △ ρ 分别代表电荷累积和消耗。显然,界面处 NCO 一侧的 △ ρ 为正,而 CN ( CNS )一侧的 △ ρ 为负,表明 CN ( CNS )给 NCO 提供电子。此外, CNS/NCO 的 △ ρ 值大于 CN/NCO 的 △ ρ 值,表明更多的电子从 CNS 转移到 NCO 中。随后,通过 Bader 电荷布居进一步量化了电荷转移量,结果表明从 CN 和 CNS 到 NCO 的电荷转移量分别为 0.2075 和 0.8665 e 。
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小结

通过热回流处理成功制备了 NiCo 2 O 4 纳米片( NCO )锚定的多孔 S 掺杂 g-C 3 N 4 ( CNS )复合催化剂( CNS/NCO )。 CNS/NCO 在活化 PMS 降解 TCH 方面表现出优异的催化性能,其一级动力学常数 k 分别是 CNS 、 NCO 和 CN/NCO 的 11.6 、 3.9 和 1.72 倍。 XPS 、 UPS 和 DFT 理论计算揭示了从 CNS 到 NCO 的定向电子转移。 S 掺杂降低了 CNS/NCO 界面处的电子转移阻抗,扩大了 CNS 和 NCO 之间的功函数( W f )差异,增强了 CNS/NCO 异质结的内建电场( BIEF )强度,导致更多的电子从 CNS 转移到 NCO 。一系列实验结果共同证明 1 O 2 、 SO 4 •− 、 •OH 、 •O 2 − 和 Co IV =O 均参与了 TCH 的降解,并且 1 O 2 起主导作用,其主要通过 SO 4 •− 、 •OH 和 •O 2 − 转化形成。该工作深入研究了 BIEF 对复合材料活化 PMS 降解污染性能的影响,为构建性能优异的多元复合催化剂提供了新思路 。

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作者简介

王风云: 南京理工大学教授。主要研究方向为:环保功能材料(无机吸附材料,光催化材料,新能源材料等)的制备与应用;工业用水处理与质量控制技术;污水处理高级氧化技术的研究与应用;土壤修复与改良技术的研究。以通讯作者在 Appl. Catal. B: Environ., Chem. Commun., Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol 和 Sci. Total. Environ 等国际一流期刊上发表论文 200 余篇 。

夏明珠: 南京理工大学教授, 江苏省化学化工学会水处理专业委员会秘书、委员, 江苏省环境科学学会委员。主要研究方向为:环境功能材料的制备、应用及其微观作用机理研究及表面处理工程和涂覆缓蚀技术。以通讯作者在 Appl. Catal. B: Environ., Chem. Commun., Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol 和 Sci. Total. Environ 等国际一流期刊上发表论文 200 余篇 。

第一作者: 毛帅,博士研究生,博士毕业于南京理工大学化学与化工学院,现就职于苏州纳微先进微球材料应用技术研究所有限公司(高级研发工程师) 。 
文章链接: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144250

投稿 : 南京理工大学化学与化工学院夏明珠研究员和王风云教授团队。投稿、合作、转载、进群,请添加小编微信Environmentor2020!环境人Environ mentor是环境领 域 最大的学术公号 ,拥有 15W+活跃读者 。由于微 信修改了推送规则,请大家将环境人Environmentor加为 星标 ,或每次看完后点击页面下端的 “赏” ,这样可以第一时间收到我们每日的推文! 环境人Environmentor现有综合群、 期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个,欢迎大家加小编微信Environmentor2020,我们会尽快拉您进入对应的群。

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