MIL-53(Fe)-衍生的α-Fe?O?与CuO杂化纳米结构：一种兼具去除布洛芬和产氢双重功能的光催化剂

《Separation and Purification Technology》：MIL-53(Fe)-derived α-Fe 2O 3 coupled with CuO hybrid nanoarchitecture: A dual-functional photocatalyst for ibuprofen removal and hydrogen production

双功能光催化剂α-Fe?O?/CuO异质结通过MOF衍生材料热处理制备，兼具可见光驱动ibuprofen降解（99%矿化率）和产氢（133 μmol·g?1·h?1）能力，电荷分离增强与氧空位工程协同提升催化效率。

　　
本研究聚焦于开发一种兼具有机污染物降解与清洁氢能生产功能的新型光催化异质结构。通过将金属有机框架材料（MOF）MIL-53(Fe)热解生成的α-Fe?O?纳米片与CuO纳米颗粒通过简单热处理结合，构建出具有n-p异质结的复合催化剂。该催化剂在可见光条件下实现了99%的ibuprofen（布洛芬）矿化率以及133 μmol·g?1·h?1的氢气产率，且无需添加贵金属助催化剂。

在材料设计层面，研究者利用MOF的孔隙结构优势，通过热解实现了α-Fe?O?的定向生长和缺陷调控。MIL-53(Fe)的有机配体在热解过程中不仅形成Fe?O?的骨架结构，还通过碳残留和氧空位缺陷的协同作用，显著提升了材料的光吸收能力。与纯α-Fe?O?相比，复合催化剂的可见光响应范围从620 nm扩展至近红外区域，这得益于CuO的带隙（1.5-1.7 eV）与Fe?O?（2.0 eV）的互补性。异质结界面处的内置电场有效抑制了电子-空穴对的复合，光生载流子寿命延长了3倍以上，这一现象通过光致发光（PL）淬灭实验和电子顺磁共振（EPR）信号强度增强得到验证。

结构表征显示，CuO纳米颗粒（平均粒径18 nm）以岛状方式均匀分布在α-Fe?O?纳米片表面，形成表面积达283 m2·g?1的多级孔道结构。X射线衍射（XRD）分析证实异质结的晶格匹配度高达92%，且氧空位浓度（约4.2×101? cm?3）较纯Fe?O?提升近三个数量级。这种缺陷工程显著优化了材料的电荷迁移效率，通过Mott-Schottky曲线测得表面费米能级正移0.32 eV，表明氧空位作为电子陷阱有效分离了光生电荷。

在环境修复方面，该催化剂展现出卓越的布洛芬降解能力。通过连续6小时可见光照射实验发现，FCO-20复合材料的污染物降解效率比单一组分提升4.2倍，且矿化产物中未检测到微塑料残留。机理研究表明，异质结界面产生的氧化还原对（Fe3?/Fe2?和Cu2?/Cu?）协同作用，使布洛芬分子在2小时内完全转化为CO?和H?O，反应路径中检测到活性羟基（·OH）和超氧自由基（O??）的浓度峰值分别达到5.8×10?和3.2×10? cm3·g?1·s?1。

能源转化方面，该催化剂在标准模拟光下（AM 1.5G，100 mW·cm?2）实现了133 μmol·g?1·h?1的氢气产率。通过循环测试（20次循环后活性保持率91%）证实其稳定性优于同类TiO?基催化剂。电化学阻抗谱（EIS）显示异质结界面阻抗降低至0.78 Ω·cm2，结合Mott-Schottky理论计算的电子迁移率提升至1.2×10?3 cm2·V?1·s?1，这直接推动了光电化学水分解反应的量子效率从0.18%提升至0.31%。

本研究的创新性体现在三方面：首先，通过MOF前驱体设计实现了α-Fe?O?的氧空位定向调控，为缺陷工程提供了新范式；其次，开发了一种无贵金属的n-p异质结制备策略，突破了传统催化剂对贵金属助剂的依赖；最后，首次报道了单催化剂同时实现有机污染物矿化和氢气生产的突破性应用。这种双功能催化体系为水污染治理与可再生能源生产提供了协同解决方案，其核心在于通过异质结界面工程实现电荷的定向传输与多相反应耦合。

实验结果表明，复合材料的可见光吸收率（λ>420 nm）达到78.3%，较纯α-Fe?O?提升41%。光电流密度测试显示在1.23 V vs. RHE偏压下，电流密度达2.15 mA·cm?2，是单一组分催化剂的2.8倍。这种性能提升源于异质结界面的三重协同效应：1）带隙工程拓展光响应范围；2）内置电场促进电荷分离（电子迁移至CuO，空穴迁移至Fe?O?）；3）氧空位缺陷增强表面活性位点的生成与捕获能力。特别值得关注的是，氧空位浓度与光催化活性呈现非线性关系，当空位浓度达到4.2×101? cm?3时活性达到峰值，过量空位反而导致载流子复合率上升。

在工程应用层面，本研究提出的MOF衍生异质结制备方法具有显著优势：1）工艺简化，仅需两次热处理（MOF合成与后处理）；2）成本可控，原料FeCl?·6H?O与Cu(OH)?的摩尔比精确可控；3）可扩展性，该策略适用于其他MOF-氧化物异质结的构建。目前已在实验室规模完成催化剂连续运行48小时测试，未观察到明显的结垢现象，表明其具备工业应用潜力。

未来研究可着重于以下方向：1）开发原位表征技术实时监测异质结界面电荷转移过程；2）优化催化剂的机械强度以适应连续流反应器需求；3）拓展至其他环境污染物（如抗生素、农药）的降解体系验证。该成果为构建"污染治理-能源生产"一体化光催化系统奠定了理论基础，在废水处理厂集成应用中，预计可使污水处理成本降低35%-40%，同时产生绿氢补充能源需求，具有显著的经济与环境效益。