新疆理化所在極性材料光催化研究方面取得系列進(jìn)展

　　極性材料由于分子基元在晶體中的各向異性使得晶胞中一些基團(tuán)的正、負(fù)電中心并非重合，存在本征偶極矩，產(chǎn)生自發(fā)極化電場。目前這類材料主要應(yīng)用于非線性光學(xué)、鐵電、功能性陶瓷與薄膜等。

　　中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室的科研人員在具有內(nèi)建電場的硼氧結(jié)構(gòu)基元的極性光催化材料的制備及應(yīng)用方面取得系列進(jìn)展。研究人員分析了該類材料對(duì)氯酚類污染物的去除能力，結(jié)合開爾文探針力顯微實(shí)驗(yàn)證實(shí)了內(nèi)建電場的存在（Chemistry of Materials, 2014, 26, 3169）；借助密度泛函理論（DFT）手段確證了極性材料電子結(jié)構(gòu)及光生電荷轉(zhuǎn)移過程（Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 12179）；考察了在不同金屬離子半徑作用下導(dǎo)致的不同極化場對(duì)有機(jī)污染物降解性能的影響（Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 181, 436）。

　　近日，該實(shí)驗(yàn)室科研人員又設(shè)計(jì)和制備了B-O結(jié)構(gòu)基元與具有d0電子構(gòu)型的金屬離子復(fù)合的極性光催化材料，發(fā)現(xiàn)該類材料在去除鹵代烴類方面具有優(yōu)異的性能。10分鐘對(duì)難降解氟取代酚類仍然具有高達(dá)83%的去除能力。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸因于具有d0電子結(jié)構(gòu)金屬離子形成的金屬多面體與B-O結(jié)構(gòu)多面體的協(xié)同作用增大了材料宏觀極化電場，提高了載流子的分離能力。該工作發(fā)表于《應(yīng)用催化B:環(huán)境》（Applied Catalysis B: Environmental, 2017, DOI:10.1016/j.apcatb.2017.01.016)。

　　但是，是否材料極性越大其活性越高，值得科研人員進(jìn)行進(jìn)一步研究。為此，科研人員又合成了極化能力不同的四種等構(gòu)的極性材料。科研人員通過X-射線粉末衍射、紫外可見漫反射、單晶結(jié)構(gòu)解析、光電化學(xué)、離子色譜、高效液相色譜、原子力顯微、開爾文探針力顯微及理論計(jì)算等分析詳細(xì)考察了材料的單晶結(jié)構(gòu)、光響應(yīng)范圍、電荷轉(zhuǎn)移過程、吸附能、降解過程及降解過程中的化學(xué)組成變化及其降解機(jī)理。有意義的是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光催化活性雖然與其極化能力有著一定的聯(lián)系，但并不盡然。對(duì)于部分材料隨著極化能力增加而增加，而當(dāng)極化能力增加到一定程度的時(shí)候其活性還與材料的表面電勢變化及吸附能緊密相關(guān)。該工作發(fā)表于《材料化學(xué)》（Chemistry of materiasl, 2016, DOI:10.1021/acs.chemmater.6b04082)。

　　上述工作受到國家、中科院及地方政府相關(guān)機(jī)構(gòu)經(jīng)費(fèi)支持。

　　圖1：在極化電場作用下鹵代酚類脫鹵示意圖

　　圖2：表面電勢變化與光催化活性之間關(guān)系圖