刘超/余承忠Angew.：纳米屋设计提高光催化硝酸盐还原为氨性能

研究内容

光催化硝酸盐还原反应（NitRR）是一种有前景的环境修复和可持续氨合成途径。为了设计高效的光催化剂，最近出现的纳米架构方法展现出巨大的潜力。

华东师范大学刘超/余承忠报告了一种具有高光催化NitRR性能的纳米房屋状S型异质结光催化剂。纳米房子有一个板状金属有机框架基光催化剂（NH 2 -MIL-125）的地板，上面生长着另一种光催化剂Co（OH） 2 纳米片，同时ZIF-8空心笼也被构建为周围的墙壁/屋顶。实验和模拟结果表明，带正电、高度多孔和疏水的ZIF-8壁可以通过（i）NO 3 - 富集/NH 4 + 放电和（ii）抑制竞争性析氢反应来调节纳米室中的环境。结合增强的电子空穴分离和强氧化还原能力NH 2 -MIL-125@Co（OH） 2 S方案异质结被限制在纳米室中，设计的光催化剂在纯水中400 nm处的氨产量为2454.9 µmol g -1 h -1 ，表观量子产量为8.02%。相关工作以“Nanoarchitectonics of S-Scheme Heterojunction Photocatalysts: A Nanohouse Design Improves Photocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia Performance”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者介绍了一种纳米架构设计，该设计产生了一种具有高光催化NitRR性能的不寻常的纳米房屋状S方案异质结光催化剂。作者选择具有纳米板状形态的Ti-MOF NH 2 -MIL-125作为建造纳米房屋的地面或地板。在地面（纳米板的两侧）上，构建了一系列纳米屋，每个纳米屋都包含一个中空的ZIF-8笼作为墙壁和屋顶以及锁定在纳米屋内并连接到地面的Co（OH） 2 纳米片。

要点2.纳米室阵列形成三明治结构的超结构，在每个纳米室中，NH 2 -MIL-125/Co（OH） 2 S异质结被封装在ZIF-8空心笼内。在光催化NitRR过程中，带正电、高度多孔和疏水的ZIF-8壁通过（i）促进NO 3 - 富集和NH 4 + 放电，（ii）抑制竞争性HER来调节NH 2 -MIL-125/Co（OH） 2 异质结周围的微环境。

要点3.结合S方案NH 2 -MIL-125/Co（OH） 2 异质结的促进电子空穴分离和强大的光氧化还原能力，纳米房屋光催化剂表现出优异的光催化NitRR性能，在纯水中的NH3产率为2454.9 µmol g -1 h -1 ，在400 nm处的表观量子产率为8.02%，优于大多数报道的光催化剂。

该工作为先进的光催化NitRR光催化剂的设计原理提供了新的见解。

研究图文

图1. NMCZ的（a-c）SEM和（d-f）TEM，（g）HADDF-STEM和元素图像以及（h）线扫描元素分布轮廓。（i）NMCZ、NM和ZIF-8的XRD和FTIR。

图2.（a）ZIF-8、NM、Co（OH） 2 、NMC和NMCZ的UV-vis DRS，（b）ZIF-8，NM，Co（OH） 2 的Tauc图和Mott-Schottky图，ZIF-8、NM、Co（OH）2、NMC和NMCZ的（d）Ti 2p、（e）Co 2p和（f）Zn 2p的XPS，（g） NMC S方案电荷转移机制的示意图。

图3.（a，b）ZIF-8、NM、Co（OH） 2 、NMC和NMCZ的NH 3 和H 2 收率，（c）NMCZ与最近报道的光催化剂的NH 3 收率的比较，（d）NMCZs在循环稳定性测试中的NH 3 收率，（e）使用 14 NO 3 - 和 15 NO 3 - 作为原料产生的NH 3 的 1 H NMR光谱，（f）NMCZ的波长依赖性AQY。

图4.（a，b）NMC和NMCZ的原位DRFTS光谱，（c）ZIF-8、NMC和NMCZ的ζ电位；ZIF-8、NMC和NMCZ分别在（d）NO 3 - 和（e）NH 4 + 溶液中的时间依赖吸附试验；（f-h）ZIF-8、NMC和NMCZ的接触角。

图5. ZIF-8、NM、Co（OH） 2 、NMC和NMCZ的（a）瞬态光电流响应，（b）奈奎斯特图，（c）瞬态OCVD，（d）平均电子寿命（τ n ），（e）PL光谱和（f）TRPL光谱。

文献详情

Nanoarchitectonics of S-Scheme Heterojunction Photocatalysts: A Nanohouse Design Improves Photocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia Performance

Yamin Xi, Yitong Xiang, Tong Bao, Zhijie Li, Chaoqi Zhang, Ling Yuan, Jiaxin Li, Yin Bi, Chengzhong Yu,* Chao Liu*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202409163

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