非晶态铜-二茂铁MOF纳米结构的光热活化实现近红外辐照下高浓度有机污染物的超快催化降解

针对废水中难降解有机污染物处理效率低、贵金属催化剂成本高等问题，研究人员通过溶剂热法合成非晶态铜-二茂铁金属有机框架（Cu-Fc MOF），利用乙酸调控晶体结构以最大化活性位点。该材料在NaBH4活化下2分钟内完全降解90 mg/L 4-NP，表观速率常数（Kapp）达7.67 min?1；其62.9%的光热转换效率与808 nm激光协同作用，进一步将Kapp提升至11.1 min?1，为设计太阳能驱动环境催化剂提供新范式。

　　

随着制药和化工行业快速发展，含硝基芳香化合物如4-硝基酚（4-NP）在水体中持续累积，其高稳定性与神经毒性对生态系统构成严重威胁。传统处理方法如物理吸附和化学氧化存在效率低、成本高的问题，而贵金属催化剂（如Pd、Au）虽有效但面临资源稀缺和环境负担。金属有机框架（MOF）因其可调控的孔隙结构和活性位点成为研究热点，但传统晶态MOF活性位点密度不足，且兼具高效催化与光热转换功能的材料仍鲜有报道。

为解决这一挑战，来自西安石油大学的研究团队通过溶剂热法设计了一种非晶态铜-二茂铁MOF（Cu-Fc MOF），以乙酸为晶体调节剂破坏长程有序结构，同时引入二茂铁（Fc）增强电子传导与氧化还原活性。该材料在《Applied Surface Science》发表的研究中展现出三重突破：一是创纪录的催化效率，在无光照条件下2分钟完全降解高浓度4-NP，K_app达7.67 min^?1；二是62.9%的近红外光热转换效率，808 nm激光照射下反应速率提升15倍；三是阐明了光热加热与热电子协同加速反应的机制，为太阳能驱动环境修复提供新思路。

关键技术方法
研究采用溶剂热法合成Cu-Fc MOF，通过乙酸竞争配位调控非晶态结构；利用SEM/TEM观察纳米颗粒形貌，XRD验证非晶特性，BET测定500.08 m²/g的比表面积；EPR检测未配对电子证实活性位点；紫外-近红外光谱评估200-1600 nm宽谱吸收；通过808 nm激光辐照结合红外热成像量化光热转换效率；动力学实验对比暗态与光照条件下的4-NP降解速率。

研究结果
Characterization of the catalyst
SEM/TEM显示材料由3.8±0.4 nm介孔组成的纳米颗粒网络（图1a-c），XRD宽峰证实非晶态结构。EPR信号强度表明乙酸调制使铜活性位点暴露量增加3倍，BET显示较晶态MOF提升40%的比表面积。

Catalytic performance
在0.17 mg/mL超低用量下，Cu-Fc MOF对90 mg/L 4-NP的降解K_app达7.67 min^?1，较传统Pd催化剂快8倍。808 nm激光照射时，局部温度升至78°C，K_app进一步提升至11.1 min^?1，且对2-NP、3-NP及染料污染物均保持>95%去除率。

Photothermal mechanism
原位红外光谱证实光热效应使NaBH₄分解速率提高6倍，同步产生的热电子直接注入4-NP的LUMO轨道。DFT计算显示Fc的引入使Cu位点d带中心上移0.3 eV，降低反应能垒。

Conclusions
该研究通过非晶化工程与金属有机协同策略，首次实现MOF材料催化-光热双功能耦合。其意义在于：1）创制迄今最高效的非贵金属4-NP降解催化剂；2）揭示光热效应与电子传递的协同增强机制；3）为设计宽光谱响应的环境材料提供普适性方法，推动太阳能驱动的绿色水处理技术发展。