赵子旺, 丛树睿, 王春宇, 周术元, 彭猛, 王磊, 许嘉钰

高等学校化学学报 2024, 45 (9): 20240187-. DOI:10.7503/cjcu20240187

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随着地球大气中臭氧（O₃）浓度的逐年升高, 臭氧已成为大气污染治理的一个重要污染物. 羟基自由基光催化反应对臭氧消除性能偏低, 仅提高羟基自由基产量的改性方法已不适用于臭氧光催化消除. 本文以Bi₂WO₆为基础, 先后进行了Fe掺杂以及TiO₂负载, 制备了一系列Fe-Bi₂WO₆@TiO₂复合材料, 并对复合材料进行了物性表征及臭氧催化活性测试. 结果表明, Fe-Bi₂WO₆@TiO₂材料具有典型的包覆结构, 表现出可见光响应并激发了氯自由基的生成. 氯自由基作为消除O₃的活性物种，驱动了一种类似“臭氧层空洞效应”的光化学反应机制, 即表面氯化的TiO₂受光激发产生氯自由基, 引发链式反应, 大幅提升了臭氧分解的性能. Fe-Bi₂WO₆@TiO₂对O₃的消除率最大为93%. 氯自由基的引入以及复合材料可见光响应的拓展, 可大幅提升光催化臭氧消除能力.

利用EPR，先后以5，5-二甲基吡咯啉-1-氮-氧化物（DMPO）和N-叔丁基-α-苯基硝酮（PBN）为捕获剂，对比研究了FBWO@TXC及TC在可见光照射下生成的自由基活性物种. 图13为可见光条件下检测到的自由基信号. 由图13（A）可见，光照5 min， FBWO@T5C出现明显的四重峰羟基自由基特征信号［38］，证明复合材料具有可见光激发且生成光生自由基的能力. 图13（B）为相同条件下FBWO@T5C产生的超氧自由基， FBWO的导带电位高于O₂/·O₂- 的氧化还原电位，因此其导带光电子无法将吸附氧转化为超氧自由基，同时TC在可见光条件的激发能力较弱，因此二者均无法捕获到明显的超氧自由基特征信号. 图13（C）为利用PBN为捕获剂在光照8 min后FBWO@T5C体系捕获的八重峰信号，证明在可见光下该复合材料可以生成氯自由基，作为对比， TC在相同条件下均未捕获到明显的自由基信号，直接证实了TC在可见光下难以激发产生光催化活性物种.