自牺牲生长异质结光催化纤维：湿度自适应平台实现可持续VOC净化

《Advanced Fiber Materials》：Self-Sacrificial Growth of Heterojunction Photocatalytic Fibers as a Humidity-Adaptive Platform for Sustainable VOC Purification

本研究针对室内挥发性有机化合物（如甲醛）污染问题，通过自牺牲原位合成Z型异质结光催化剂Fe3(PO4)2/MIL-88B(Fe)-NH2，构建了兼具吸附与光降解功能的纤维复合材料。该材料在湿度调控下实现高效甲醛去除（三次循环后效率>85%），揭示了水分子通过促进·OH?生成增强光催化活性的机制，为实际环境中湿度自适应空气净化材料设计提供了新策略。

　　

室内空气中甲醛等挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOC）长期威胁人体健康，传统吸附剂易饱和、催化材料在潮湿环境中性能骤降。如何实现VOC的高效持久净化，尤其在湿度波动的实际场景中保持稳定性，成为研究难点。近日发表于《Advanced Fiber Materials》的研究通过自牺牲生长策略，在铁纤维表面构建了Z型异质结光催化剂Fe₃(PO₄)₂/MIL-88B(Fe)-NH₂，其独特的湿度自适应特性为VOC治理提供了新思路。

研究团队采用氧化铁纤维作为金属源与载体，通过一锅溶剂热法同步生长无机相Fe₃(PO₄)₂和金属有机框架MIL-88B(Fe)-NH₂。关键技术包括：自牺牲原位合成异质结、光谱与电化学表征能带结构、电子自旋共振检测活性氧物种、密度泛函理论模拟水分子参与的反应路径，以及不同湿度条件下气相甲醛吸附-光降解联用实验。

2.1 光催化纤维的结构表征

透射电镜显示MIL-88B(Fe)-NH₂纳米晶（平均尺寸42.5 nm）包覆于Fe₃(PO₄)₂板状晶体表面，形成紧密界面（图1b）。X射线衍射与X射线光电子能谱证实两相共存，且Fe₃(PO₄)₂优先成核为MOF生长提供平台。电感耦合等离子体质谱分析表明，氧化纤维持续释放Fe离子至反应液，支撑体相与表面协同生长（图2b）。异质结纤维的电荷转移电阻降至1178 Ω·cm^?2，光电流强度提升至0.69 mA·cm^?2，证实界面促进载流子分离（图3d-e）。

2.2 气体吸附与光催化降解性能

Fe/MIL-NH₂@fiber在黑暗条件下2小时吸附64.8%的甲醛，光照后总去除量达0.52×10^?3mmol，显著优于单一组分材料（图4b）。电子自旋共振谱显示异质结同步生成超氧自由基（·O₂^?）和羟基自由基（·OH^?），而单一MIL-88B(Fe)-NH₂几乎无活性氧物种产生（图4c-h）。能带分析表明，MIL-88B(Fe)-NH₂的导带位于O₂/·O₂^?还原电位之上，Fe₃(PO₄)₂的价带低于H₂O/·OH^?氧化电位，Z型机制使电子富集于MOF、空穴集中于磷酸铁，优化氧化还原能力（图5d-e）。

2.3 水蒸气在吸附与光降解中的调控作用

随相对湿度从10%升至90%，甲醛吸附量先增后减，50%RH时水分子形成水合层辅助HCHO间接吸附；90%RH下过量水竞争位点导致吸附抑制（图6a）。傅里叶变换红外光谱与X射线光电子能谱证实MOF孔隙中水分子随湿度增加（图6b-c）。密度泛函理论计算揭示，水分子介导的HCHO吸附能呈驼峰曲线，适度水环境拓宽光激发电荷转移通道，使光解效率提升17.3%（图6d-h）。电子自旋共振实验进一步验证高湿度促进·OH^?生成，加速甲醛转化为甲酸等中间体（图7a-b）。动力学分析表明吸附速率（k_ad）始终高于光降解速率（k_pd），但水蒸气通过增强·OH^?生成补偿高湿度下的吸附衰减（图7c）。

循环稳定性与实际应用潜力

Fe/MIL-NH₂@fiber在10%~90%湿度范围内经三次循环仍保持85%以上去除率，X射线衍射与扫描电镜显示异质结结构稳定（图8a-b）。吸附容量下降主因水分子可逆占据孔隙，60℃热处理即可恢复90%初始性能，光降解贡献率始终高于95%（图8c-e）。该工作通过揭示湿度调控的吸附-催化协同机制，为开发适应真实环境的多功能空气净化材料提供了理论基础与实践范例。