经过缺陷工程设计的In2O3-x分层纳米花结构，在紫外光下能够显著提升甲醛的光催化去除效率

《Inorganic Chemistry Communications》：Defect-engineered In 2O 3-x hierarchical nanoflowers for enhanced photocatalytic formaldehyde removal under UV light

氧缺位氧化锌纳米花通过乙酸和P123辅助模板法合成，其 hierarchical纳米花结构具有高比表面积和氧缺陷，促进可见光吸收和载流子分离，使紫外光下甲醛降解效率比纯纳米花和纳米颗粒分别提升2倍和4.5倍。

　　

Jiadong Li|Pengyuan Xie|Lei Zhang|Wei Wang|Yingquan Wang|Yu Jia

教育部重点实验室（特殊功能材料），河南大学材料科学与工程学院，开封475004，中国

摘要

开发高效的光催化剂用于室内空气净化仍然是一个重大挑战。在本研究中，通过醋酸和P123辅助的模板方法制备了缺氧氧化铟纳米花（In₂O_3-x NFs），随后在H₂气氛下进行煅烧。制备的In₂O_3-x NFs具有层次分明的纳米花状形态，其比表面积显著增大，为甲醛分子的吸附提供了丰富的活性位点。此外，引入的氧缺陷有效地缩小了带隙，使光吸收范围扩展到可见光区域，并作为陷阱促进光生载流子的分离和迁移。因此，优化后的In₂O_3-x NFs在紫外光照射下对气态甲醛的降解性能显著提高。经过2小时的光照后，In₂O_3-x NFs的降解效率分别是纯In₂O₃ NFs和In₂O₃纳米颗粒（NPs）的2倍和4.5倍。这项工作为设计高性能金属氧化物光催化剂以去除挥发性有机化合物提供了一种可行的缺陷工程策略。

引言

室内空气污染已成为一个严重的环境和公共卫生问题，而甲醛（HCHO）是最普遍和危险的挥发性有机化合物（VOCs）之一[1,2]。甲醛来源于建筑材料、家具、粘合剂和各种家用产品，与严重的健康问题相关，长期暴露可能导致呼吸系统疾病、过敏反应和潜在的致癌性[3,4]。因此，开发高效且可持续的技术来去除室内环境中的甲醛迫在眉睫[5,6]。 在各种空气净化策略中，光催化氧化因其能够在常温条件下运行、利用太阳光或人造光，并将污染物完全矿化为CO₂和H₂O而不产生二次污染而受到广泛关注[7,8]。这一过程依赖于半导体光催化剂，它们在光激发下产生电子-空穴对，进而引发氧化还原反应分解有机污染物[9,10]。光催化的效率受多种因素影响，包括光吸收能力、比表面积、电荷分离效率和表面反应动力学[[11], [12], [13], [14], [15]]。 氧化铟（In₂O₃）是一种n型半导体，具有适中的带隙（约3.0 eV）、高化学稳定性和低毒性，在VOC降解方面显示出潜力[16,17]。然而，纯In₂O₃的实际应用受到一些固有限制的阻碍，如光生载流子的快速复合、活性位点有限以及可见光吸收不足[18,19]。为了解决这些问题，缺陷工程——特别是引入氧空位——已被证明可以有效调整金属氧化物的电子结构和光学性质[[20], [21], [22]]。氧空位可以缩小带隙，扩展光吸收范围到可见光区域，作为陷阱抑制电荷复合，并促进反应物分子的活化[[23], [24], [25]]。 此外，纳米尺度上的结构设计在提高光催化性能方面起着关键作用[26,27]。具有高比表面积的层次结构可以提供丰富的活性位点，并促进质量传递，这对气相反应特别有益[[28], [29], [30]]。因此，将形态控制与缺陷工程相结合为开发高性能光催化剂提供了一种有吸引力的策略[31]。 在本研究中，通过使用Pluronic P123作为软模板，并在H₂气氛下煅烧，采用醋酸辅助的溶热法制备了一种富含氧空位的新型纳米花状In₂O_3-x材料。所得材料具有层次分明的花状形态，表面积显著增大，氧空位浓度高。这些结构和电子修饰协同作用，增强了在紫外光照射下对气态甲醛的吸附和光催化降解。缺陷诱导的带结构调制促进了可见光吸收并提高了电荷分离效率。这项工作展示了通过协同的形态和缺陷工程设计高效金属氧化物基光催化剂的有效策略，为开发先进的室内空气净化材料提供了新的见解。

化学物质和材料

硝酸铟水合物（InN₃O₉·4H₂O）、醋酸（C₂H₄O₂）、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷（P123, PEO-PPO-PEO）、乙二胺四乙酸二钠（C₁₀H₁₄N₂Na₂O₈）、对苯醌（C₆H₄O₂）和异丙醇（C₃H₈O）均从Aladdin Reagent Co., Ltd.购买。所有试剂均未经进一步纯化使用。去离子（DI）水使用Millipore系统制备。

In₂O_3-x层次纳米花的合成

将5 mL醋酸和20 mL乙醇混合并搅拌30分钟。然后加入0.6 g...

结果与讨论

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）系统地表征了合成样品的形态。图S2显示，在没有结构导向剂P123的情况下合成的In₂O₃纳米颗粒由直径约为50 nm的不规则颗粒组成。如图1a和b所示，In₂O₃纳米花具有大约4–5 μm的球形结构，由紧密堆叠的...

结论

总之，通过基于模板的路线，并在醋酸和P123的辅助下，以及在H₂气氛下煅烧，成功制备了缺氧氧化铟纳米花（In₂O_3-x NFs）。所得In₂O_3-x NFs在紫外光下对气态甲醛的降解性能显著提高，其降解效率分别是原始In₂O₃ NFs和In₂O₃纳米颗粒的2倍和4.5倍。

CRediT作者贡献声明

Jiadong Li：撰写——初稿，验证，方法学，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。 Pengyuan Xie：验证，正式分析，数据管理。 Lei Zhang：研究，正式分析。 Wei Wang：研究，正式分析。 Yingquan Wang：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，正式分析。 Yu Jia：撰写——审阅与编辑，可视化，监督。

利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢 本工作得到了浙江省自然科学基金（LQ24B030011）和宁波市自然科学基金（2023J181）的支持。

Jiadong Li于2022年在哈尔滨工业大学获得化学工程与技术博士学位。目前，他在宁波Runner工业公司工作，同时担任河南大学材料科学与工程学院的博士后研究员。他的研究专注于开发用于光催化和电催化的功能性纳米材料，以解决环境和能源应用中的关键挑战。