城市环境所在石墨烯基材料光致热催化净化VOCs研究中获进展

现代工业化和城市化快速发展，资源特别是能源消耗持续增长的同时，区域性大气污染问题越发突出。挥发性有机污染物(volatile organic compounds，VOCs) 是大气环境污染物的重要组成部分，对人类生存和健康影响巨大，它的控制排放、治理污染不容忽视。中国科学院城市环境研究所致力于环境功能材料的研发及其在VOCs控制与消除方面的研究。

在VOCs控制治理中，催化燃烧治理技术最为广泛，但高能耗的催化燃烧所用的化石燃料，导致能源危机以及燃料燃烧引起的环境污染问题。太阳能构建的可再生绿色清洁能源系统，代表能源革命的方向。传统太阳光催化降解VOCs，受限于半导体材料的带隙能，仅紫外和部分可见光被利用，占太阳光能量48%的大部分红外光以热辐射的形式损失，导致太阳能量子效率低。同时，能耗需求高是制约传统催化燃烧技术发展的重要因素，利用太阳能转化储存为热能来驱动催化反应，有望替代传统的热催化技术，从而实现低能耗的工业应用。面临的科学问题在于如何广谱俘获太阳能、减少太阳光能质损失，以及如何有效将俘获的太阳光子能量转化为热能引入到催化反应中，实现全光谱太阳光的有序转化，关键在于高效光热转化材料的研发。

石墨烯，具有宽光谱吸收性质和优异的光热转换性能等优点，基于传统的热催化剂Pt-TiO2，对石墨烯组装体Pt-rGO-TiO2，通过光学、热学和催化反应位点联合设计，实现Pt-rGO-TiO2无聚光条件下14.1%光热转换效率及VOCs高效无害化转化(红外光强116 mW/cm2，光致热温度150 ℃，甲苯转化率95%，矿化率72%)。石墨烯为sp2杂化碳原子形成的类六元环苯单元的无限扩展的二维纳米材料，除了拥有大的比表面积和孔隙率，石墨烯与甲苯反应物分子之间有强烈的π-π作用，大量的甲苯可通过π-π作用吸附富集在石墨烯的表面，增加反应物分子在催化剂上的停留时间，从而提高催化活性。与石墨烯载铂-二氧化钛(Pt-rGO-TiO2)相比，甲苯的穿透实验和程序升温脱附实验分析证实了在红外光照温度下，石墨烯吸附层载铂催化剂(Pt-rGO)仍表现出较高的饱和吸附量。rGO吸附层载Pt的构建创新实现无聚光条件下17.6%光热转换效率及甲苯彻底无害化转化(红外光强146 mW/cm2，光致热温度180 ℃，甲苯转化率98%，矿化率96%)。该工作发表在Appl. Catal. B: Environ., 2018, 233, 260-271；J. Mater. Chem. A， DOI: 10.1039/C9TA00148D。

此前，贵金属等离子共振效应(Pt-Al2O3)，黑色双金属氧化物NiOx/Co3O4、CeO2/LaMnO3在全太阳光谱范围(200~2500 nm)展现很强的光吸收及其光热效应，使催化剂温度升高，从而使其具有高效的全太阳光谱驱动VOCs催化净化活性。相关研究成果发表在ACS Appl. Nano Mater., 2018, 1, 2971-2981；Appl. Nano Mater., 2018, 1, 6368-6377；Appl. Catal. B: Environ., 2019, 140, 141-152。申请专利2件(2017101950058, 2017103067971)。

配图简介：基于传统热催化剂Pt-TiO2，对石墨烯组装体Pt-rGO-TiO2的光学、热学和催化反应位点联合调控设计，为利用太阳能替代热源驱动VOCs催化氧化提供了可能性。通过光致热催化氧化甲苯反应评测，实现Pt-rGO-TiO2三元催化剂无聚光条件下光热转换效率高达14.1%及VOCs到终产物CO2高效转化。尽管VOCs到终极产物CO2的转化高达72%，但是离完全无害化转化还有一定距离。因此，通过催化材料的进一步微结构调控，实现VOCs彻底的无害化转化。石墨烯为sp2杂化碳原子形成的类六元环苯单元的无限扩展的二维纳米材料，除了拥有大的比表面积和孔隙率，石墨烯与甲苯反应物分子之间有强烈的π-π作用，大量的甲苯可通过π-π作用吸附富集在石墨烯的表面上，增加反应物分子在催化剂上的停留时间，从而提高催化活性。通过光热致催化甲苯降解反应的活性评测，实现Pt-rGO二元催化剂在光强为146 mw/cm2的无聚光条件下，光热转换效率达到17.6%，以及VOCs到终产物CO2的彻底无害化转化。