近日，國(guó)際權(quán)威刊物《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在線發(fā)表了同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院林思劼教授團(tuán)隊(duì)的研究論文“In situ turning defects of exfoliated Ti3C2 MXene into Fenton-like catalytic active sites”。林思劼教授為該論文的唯一通訊作者，課題組直博生姜越（現(xiàn)環(huán)境學(xué)院博士后）為唯一第一作者，該工作還得到香港浸會(huì)大學(xué)梁士賢教授團(tuán)隊(duì)、中科院高能物理研究所王黎明副研究員團(tuán)隊(duì)、同濟(jì)大學(xué)盛聞超教授團(tuán)隊(duì)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所金山博士以及上海同步輻射光源BL14W1線站的大力支持。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。
成果簡(jiǎn)介
該研究提出了一種巧妙利用MXene本征表面缺陷和豐富過(guò)渡金屬源原位構(gòu)筑類(lèi)芬頓納米復(fù)合催化劑的新策略。文章以剝層Ti3C2 MXene作為模板，可控制備了一系列無(wú)定形碳負(fù)載的高密度TiO1.47納米團(tuán)簇（TiO1.47@C），揭示了鈦基類(lèi)芬頓催化劑活化H2O2降解阿特拉津的反應(yīng)機(jī)制，實(shí)例論證了二維納米材料“Safer-by-design”的實(shí)現(xiàn)路徑，為內(nèi)分泌干擾物和抗生素類(lèi)新污染物的高效治理提供了新策略。研究開(kāi)發(fā)了一種新型的H2O2濕法氧化工藝。以Ti3C2 MXene為模板，利用其刻蝕過(guò)程中形成的本征Ti缺陷與H2O2發(fā)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，原位生成無(wú)定形碳負(fù)載的高密度TiO1.47納米團(tuán)簇（TiO1.47@C）。通過(guò)改變H2O2的濃度和作用時(shí)間篩選最優(yōu)的制備條件（10 mol·L?1 H2O2, 30 min），同時(shí)達(dá)到最大的樣品產(chǎn)率（> 97%）。進(jìn)一步通過(guò)DFT理論計(jì)算證明了Ti3C2 MXene表面的Ti缺陷是形成TiO1.47納米團(tuán)簇的關(guān)鍵反應(yīng)活性位點(diǎn)，該納米團(tuán)簇具有豐富的表面缺陷且體系中存在Ti多價(jià)態(tài)共存現(xiàn)象（平均價(jià)態(tài)為+2.94）。基于X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）的成鍵變化分析得出，合成過(guò)程中H2O2原位氧化所導(dǎo)致的Ti-C-Ti鍵的斷裂和Ti-O鍵的形成是該納米團(tuán)簇原位合成的關(guān)鍵。通過(guò)Ti元素的價(jià)態(tài)變化高效活化H2O2實(shí)現(xiàn)了多種典型新污染物（如阿特拉津、四環(huán)素、對(duì)硝基苯酚等）的高效降解。
該方法具有較好的普適性，適用于多種MXene家族材料，包括V2C、Nb2C等。該研究拓寬了MXene家族材料的環(huán)境應(yīng)用潛力，在高活性催化納米團(tuán)簇原位合成的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了納米團(tuán)簇在碳基板上的復(fù)合錨定，有效降低了使用過(guò)程中因材料泄漏所帶來(lái)的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。https://doi.org/10.1073/pnas.2210211120
