在非均相催化劑上生成的光生空穴(h+)是一種重要的活性氧化物種，在綠色能源、化學(xué)合成和環(huán)境技術(shù)等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用。作為光催化活性的核心過(guò)程，電子-空穴的分離、轉(zhuǎn)移和復(fù)合往往發(fā)生在幾十個(gè)飛秒到幾百個(gè)皮秒的超小時(shí)間尺度上，導(dǎo)致光生電子和空穴的利用率非常低。幾十年來(lái)，為了提高光生電子-空穴對(duì)的分離效率，人們做出了巨大的努力，例如，在催化劑上構(gòu)筑缺陷或異質(zhì)結(jié)構(gòu)等。然而，盡管如此，仍有大部分載流子在參與表面反應(yīng)之前就被電荷復(fù)合過(guò)程所消耗。
受傳感領(lǐng)域研究的啟發(fā)，我校化學(xué)學(xué)院歐陽(yáng)鋼鋒教授團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單的策略：利用超氧化物的強(qiáng)吸電子效應(yīng)，通過(guò)捕獲催化劑表面的電子，在其表面產(chǎn)生具有高氧化電位和長(zhǎng)壽命的空穴載流子。以過(guò)硫酸鹽為模型超氧化物，以缺陷態(tài)碳納米管為催化劑，構(gòu)筑了首個(gè)非光介導(dǎo)的高效空穴氧化體系，在水中污染物催化降解方面展現(xiàn)了卓越的性能，催化效率顯著優(yōu)于光催化技術(shù)，這為具有長(zhǎng)壽命載流子體系的構(gòu)筑提供了新的思路。
圖1：傳統(tǒng)光催化過(guò)程與非光介導(dǎo)空穴催化過(guò)程
通過(guò)深入系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管上缺陷位為催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，而缺陷位上未配對(duì)自旋電子對(duì)催化活性則起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該體系的氧化電勢(shì)可以通過(guò)在碳納米管上構(gòu)筑適當(dāng)類(lèi)型的缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。此外，還利用缺陷態(tài)碳納米管原位制備了濾水膜，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)水體種低濃度污染物的連續(xù)快速去除，使得該體系成為了一種理想的水處理系統(tǒng)。
圖2：缺陷態(tài)碳納米管的表征與催化性能測(cè)試
圖3：連續(xù)水處理系統(tǒng)的構(gòu)筑及水處理效果
研究成果發(fā)表在國(guó)際知名綜合期刊ACS Central Science上，論文題目為“Unprecedented Nonphotomediated Hole (h+) Oxidation System Constructed from Defective Carbon Nanotubes and Superoxides”。
歐陽(yáng)鋼鋒團(tuán)隊(duì)王俊慧副研究員為文章的第一作者，歐陽(yáng)鋼鋒教授為文章的通訊作者。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和中央高校基本科研專(zhuān)項(xiàng)資金的資助，也得到了中山大學(xué)測(cè)試中心精準(zhǔn)服務(wù)的大力支持。
