ZIF-8衍生出的N掺杂碳框架与WO?协同作用，显著提升了WO?对气态乙醛的光催化降解性能

《Powder Technology》：ZIF-8 derived N-doped carbon framework synergistically enhances WO 3 for the photocatalytic degradation of gaseous acetaldehyde

氮掺杂碳框架NC-Z8与WO3复合催化剂高效可见光降解乙醛机理研究，通过原位DRIFTS和ESR揭示了氮碳框架促进氧空位形成、拓宽光吸收及增强电荷分离的协同机制，实现90分钟内95.6%矿化效率。

　　

蔡北北|孙书豪|何飞

南京理工大学环境与生物工程学院，南京 210094，中国

摘要

本研究开发了一种由ZIF-8热解得到的氮掺杂碳框架（NC_Z8）作为新型非金属共催化剂，并将其与WO₃复合用于乙醛的降解。制备的2% NC_Z8/WO₃复合材料表现出优异的光催化性能，在可见光照射下90分钟内实现了95.6%的乙醛矿化效率，显著高于纯WO₃。表征结果表明，氮富集的碳框架通过多种协同机制发挥作用：作为高效的电子受体促进电荷分离，通过增加的BET比表面积增强反应物吸附和质量传递，并促进氧空位的形成及光的吸附。此外，通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in situ DRIFTS）和电子自旋共振（ESR）光谱阐明了乙醛的光催化降解机制。本研究提供了一种可持续的、无需贵金属的WO₃基光催化剂改性策略，并加深了对MOF衍生碳材料在挥发性有机化合物光催化净化中作用机制的理解。

引言

挥发性有机化合物（VOCs）被广泛认为是空气污染的主要来源，严重降低了空气质量并对人类健康构成威胁[1]，[2]。鉴于人们大约90%的时间都在室内度过[3]，而室内的VOCs浓度通常远高于室外[4]，因此解决室内VOCs污染尤为重要。乙醛（AA）是一种典型的室内VOC，已被证明对人体健康有害。在家庭和工作场所中，二手烟、油漆和处理过的木材是AA污染的主要来源[5]。与其他室内空气净化技术（如活性炭吸附、等离子体和紫外线技术）相比，光催化氧化被认为是一种绿色且可持续的AA去除方法[6]。该技术可以在常温条件下将AA完全矿化为无害的CO₂和H₂O。由于室内环境中紫外线强度很低，许多研究致力于开发能够在典型室内光照条件下降解AA的高效可见光活性光催化剂。

在众多报道的光催化剂中，WO₃被认为是最具前景的可见光响应型光催化剂之一，适用于室内AA的降解[7]，[8]。然而，载流子的快速复合降低了其光子利用效率[9]。近年来，人们采用了多种策略来增强WO₃中光生载流子的分离，包括引入氧空位作为电荷捕获中心和反应位点[10]、调节WO₃的晶相以优化其能带结构并促进电子转移[11]，以及沉积贵金属通过表面等离子体共振和肖特基势垒促进电荷分离[12]，[13]。此外，当与WO₃结合使用时，基于碳的纳米材料（如活性炭、碳纳米管和石墨烯）显著提高了VOCs的去除性能，这归因于它们发达的孔结构、优异的电导率、宽的光吸收范围和可调的表面特性[14]。

近年来，金属有机框架（MOF）衍生的多孔碳材料在气体吸附、催化、能量存储和氧还原反应（ORR）等领域表现出显著性能，这得益于其可调的结构和内在的杂原子掺杂[15]，[16]，[17]，[18]。其中，沸石咪唑框架-8（ZIF-8）因其高碳含量和大比表面积而被认为是通过直接碳化制备多孔碳的理想前体[19]。高温热解后，ZIF-8转化为氮掺杂碳框架，不仅保留了其前体的高表面积和分级孔隙结构的优势，还引入了氮物种（如吡啶氮、吡咯氮和石墨氮）。这些氮物种有效调节了碳材料的电子结构，提高了电子传输能力和表面反应性[15]，[20]，[21]。然而，大多数现有研究集中在ZIF-8衍生碳材料的孔结构和电子传输性能在气体吸附和电催化应用方面的研究，而其在光催化去除VOCs方面的潜力尚未得到充分探索。特别是，目前还没有关于其与WO₃基复合材料结合用于光催化空气净化应用的报道。

在本研究中，我们首次展示了由ZIF-8热解得到的氮掺杂碳框架（NC_Z8）作为WO₃的共催化剂来增强AA降解性能的应用。为了研究NC_Z8和WO₃的协同效应对光催化活性的影响，进行了系统的表征，以探讨NC_Z8掺入对WO₃的晶体生长、氧空位形成、光吸收和载流子分离的影响。使用原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in situ DRIFTS）阐明了AA的降解机制。

NC_Z8

ZIF-8采用常规制备方法合成[22]。将3.36克六水合硝酸锌和7.40克2-甲基咪唑分别溶解在160毫升甲醇中，搅拌至完全溶解。然后合并两种溶液并剧烈搅拌1小时，随后在25°C下老化24小时。收集沉淀物，用甲醇洗涤，并在80°C下干燥。

合成的ZIF-8在氮气流中煅烧。

催化剂的物理化学性质

ZIF-8具有典型的菱形十二面体结构，表面光滑。颗粒分布均匀，平均粒径约为30纳米（图1a）。与ZIF-8不同，NC_Z8样品保持了多面体框架结构。然而，由于高温碳化和酸蚀除锌导致结构重排，表面变得粗糙并形成了高度多孔的结构（图1b）。NC_Z8的映射和EDS结果显示

结论

本研究成功开发了一种策略，利用ZIF-8衍生的氮富集碳框架（NC_Z8）作为非金属共催化剂，显著增强了WO₃对AA的降解性能。NC_Z8不仅为复合材料提供了更大的比表面积，从而促进了反应物的质量传递，还有效诱导了WO₃中氧空位的形成。这些氧空位在禁带内引入了缺陷能级，缩小了样品的带隙，并

作者贡献声明

蔡北北：撰写 – 原稿撰写，数据分析。孙书豪：数据分析。何飞：撰写 – 审稿与编辑，指导，资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22576102）以及南京理工大学（编号：AD411228、AD411148、AE89991/418、AS392201-001/071）的资助。何飞感谢中央高校基本科研业务费、国家高层次海外人才计划和江苏省特聘教授计划的资助。