超薄Sm-MOF纳米片的合成及可见光催化降解芥子气模拟剂性能

doi:10.7503/cjcu20210867

摘要/Abstract

摘要：

超薄金属-有机框架材料(MOFs)纳米片具有高密度、易暴露的表面活性位点、较短的底物/产物扩散路径等特点, 是性能优异的异相催化剂. 本文以光活性有机配体(H₄TBAPy)和镧系金属离子Sm³⁺构筑光活性超薄MOFs纳米片, 以苯甲酸作为调节剂, 利用微波法快速合成了Sm-TBAPy二维纳米片. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS）、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和氮气吸附-脱附等手段表征了Sm-TBAPy二维纳米片的形貌、结构和组成. 所合成的Sm-TBAPy为单分散二维纳米片, 宽度约为200 nm, 厚度约为12 nm, BET比表面为163 m²/g, 禁带宽度为2.62 eV. Sm-TBAPy二维纳米片在室温、氧气氛围和可见光照射条件下, 可将芥子气模拟剂[2-氯乙基乙基硫醚(CEES)]高效、高选择性氧化成亚砜产物CEESO, 且催化剂经过4次循环使用仍保持较高的催化性能. 结合电子顺磁共振波谱, 提出了Sm-TBAPy二维纳米片可见光催化氧化CEES的催化机理.

关键词: 超薄金属-有机框架材料纳米片, 芥子气, 可见光催化, 2-氯乙基乙基硫醚, 微波合成

Abstract:

Ultrathin metal-organic frameworks（MOFs） nanosheets are excellent heterogeneous catalysts owing to their unique structural properties， such as high density and exposed surface active sites， short diffusion distance for reactants/products. Herein， by the employment of photoactive 1，3，6，8-tetrakis（p-benzoic acid）pyrene(H₄TBAPy) as ligand and lanthanide metal ion Sm³⁺ as metal node， and benzoic acid as modulator， ultrathin two-dmensional Sm-TBAPy nanosheets were synthesized by microwave method. The morphological and structural information of Sm-TBAPy nanosheets were characterized by SEM， TEM， XRD， UV-Vis DRS， FTIR and N₂ adsorption-desorption techniques. The as-synthesized Sm-TBAPy are monodispersed nanosheets with size of 200 nm and thickness of 12 nm. The BET specific surface area is 163 m²/g， and the bandgap is 2.62 eV. Sm-TBAPy nanosheets enable selective photocatalytic conversion of 2-chloroethyl ethyl sulfide（CEES） into CEESO under blue light irradiation at room temperature in the presence of oxygen. The catalysts can be reused for 4 times without significantly decrease in catalytic activity. Moreover， combined with electron paramagnetic resonance spectroscopy， a plausible photocatalytic mechanism was proposed. Benefiting from the similarity of lanthanide series， our strategy is expected to apply for the synthesis of lanthanide-based MOF nanosheets as highly efficient catalysts.

Key words: Ultrathin MOFs nanosheets, Mustard gas, Visible-light photocatalysis, 2-Chloroethyl ethyl sulfide, Microwave synthesis

中图分类号:

O643

TrendMD:

冯丽, 邵兰兴, 李思骏, 全文选, 庄金亮. 超薄Sm-MOF纳米片的合成及可见光催化降解芥子气模拟剂性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210867.

FENG Li, SHAO Lanxing, LI Sijun, QUAN Wenxuan, ZHUANG Jinliang. Synthesis of Ultrathin Sm-MOF Nanosheets and Their Visible-light Induced Photodegradation of Mustard Simulant. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(4): 20210867.

图/表 5

Fig.1 SEM image(A) and powder XRD pattern(B) and displayed the Dyndall effect(C) of as?synthesized Sm?TBAPy nanosheets

Fig.2 TEM images(A, B) of Sm?TBAPy nanosheets, high resolution TEM image(C) of Sm?TBAPy nanosheets showed lattice fringes, selective area electron diffraction(SAED) image of Sm?TBAPy(D), AFM image(E) and the corresponding high profile curves(F) of Sm?TBAPy nanosheets

Fig.3 FTIR spectra of Sm?TBAPy nanosheets and H4TBAPy ligand(A), excitation and emission spectra of Sm?TBAPy nanosheets dispersed in ethanol solution and the corresponding photos under UV light irradiation(inset)(B), N2 adsorption/desorption isotherms at 77 K(C), pore size distribution calculated by DFT method(D), UV?Vis diffuse reflectance spectrum(E), and (ahv)2?hv spectrum(F) of Sm?TBAPy nanosheets

Fig.4 Conversion of CEES vs. time of visible?light induced photocatalytic degradation of CEES by Sm?TBAPy nanosheets(A) and recycling performance of Sm?TBAPy nanosheets(B), XRD pattern(C) and SEM image(D) of Sm?TBAPy nanosheets after 5 times use

Fig.5 Transient photocurrent response of Sm?TBAPy coated ITO eletrodes under blue LED irradiation in 0.2 mol/L Na2SO4 solution(A), electron paramagnetic resonance spectra of Sm?TBAPy nanosheets in methanol with addition of TEMP(B) and DMPO(C) in dark and under blue light irradiation, respectively

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