中国科学技术大学应用化学系江鸿教授课题组在光催化降解磺胺甲恶唑（SMX）废水研究方面取得新进展，报道了一种对金属有机框架（MOFs）的新修饰方法。研究以ZIF-8为基底，针对其带隙过大导致有限紫外光吸收和光生载流子快速复合，从而导致在实际的废水处理中效率低、能耗过高等问题，使用热氛围处理与溶液辅助配体交换的方法将异氰酸酯键（-N=C=O）与铜络合的巯基（-SCu）接枝到ZIF-8晶体上，得到改性的MOFs（NIF-SCu）。接枝基团可以在ZIF-8的导带和价带之间插入层间带，从而为电子跃迁提供“阶梯”，显著提高SMX的降解效率及能量效率。相关研究成果于2022年9月7日以 “Enhanced Photoreactivity of MOFs by Intercalating Interlayer Bands via Simultaneous −N=C=O and −SCu Modificationy”为题发表在化工领域著名期刊AIChE Journal上。
NIF-SCu 表现出高光催化活性，在可见光-H2O2体系中能够在30 min内有效降解溶液中97.1%的磺胺甲恶唑。研究发现NIF-SCu 的光反应性的显著改善可归因于-N=C=O基团在350-450 nm范围内的光响应增强和-SCu基团拓宽MOF的可见光吸收范围。NIF-SCu中交错能级的形成还可以缩小带隙，降低电阻，促进光生载流子的转移，从而在-SCu导带中产生具有强还原电位的电子。此外，接枝促进了长距离“有效电子”参与光催化反应，从而提高了ZIF-8的光催化效率。该研究为高吸附容量但低光催化活性的MOF提供了一种新的改性方法，从而有望实现污染物的大容量快速吸附并原位光降解再生策略。
图1. 双修饰后MOF物性变化
图2. NIF-Scu光催化降解SMX的效果
通过引入测量系统的能耗和成本效率的“品质因数”：EE/O（目标污染物实现单个数量级降低所需的电能）评估了该催化过程能量效率。在此研究系统中，EE/O包括可见光能量消耗（EE/Ovis）和氧化剂消耗（Oxidant/O）。结果显示在H2O2浓度为0.08 M，光源为0.1-0.2 kW下的都能获得较优的EE/O结果。
图3. 不同光源功率和H2O2剂量对SMX降解所需的EE/O (kWh/m3)计算（光源功率范围，0-600 W；H2O2浓度，0.08-0.28 M）
表1.不同光源下的最小EE/O值
source power（kW） | H2O2 dosage（M） | EE/O（kWh·m-3） |
0 | 0.12 | 3.753 |
0.1 | 0.08 | 1.977 |
0.2 | 0.08 | 1.917 |
0.3 | 0.08 | 2.152 |
0.4 | 0.08 | 2.353 |
0.5 | 0.08 | 2.354 |
0.6 | 0.08 | 2.592 |
该论文的第一作者为硕士生胡威飞。该研究工作得到国家自然科学基金(21876166, 22076178）的支持。
文章链接：http://doi.org/10.1002/aic.17879