用于高效降解新兴污染物的共价有机框架/六方氮化硼异质结构光催化剂

《Materials Today》：Covalent organic framework/hexagonal boron nitride heterostructure photocatalysts for efficient degradation of emerging contaminants

光催化降解污染物的金属-free hBN@COFs异质结构研究中，通过缺陷hBN表面原位生长COFs构建型II异质结，有效分离电荷并抑制复合，实现染料、药物及PFAS（如PFOA）的近乎完全降解。DFT和UPS证实界面电荷转移效率，球磨法引入的缺陷位点增强电子供体作用。该异质结构在垂直/水平反应器中均表现出高应用潜力，为人工光合作用及水处理提供新方向。

　　
该研究团队在光催化领域取得重要突破，成功开发出新型hBN@COFs异质结构催化剂。这项创新工作将二维材料与共价有机框架材料的优势完美结合，为解决环境污染和能源转化问题提供了新思路。

研究背景方面，团队指出自然光合作用机制为人工光催化系统设计提供了重要启示。传统光催化剂存在金属残留、反应条件苛刻等缺陷，而hBN作为理想的二维模板材料，具备化学惰性、无毒无害等特性。但单独使用hBN存在带隙宽（约5.3eV）、载流子分离效率低等瓶颈问题，这促使研究团队探索hBN与其他活性材料的协同效应。

制备方法创新性地采用原位生长技术，通过球磨处理hBN基底材料，在引入大量羟基缺陷位点的同时，利用APTES进行氨基功能化处理。这一预处理步骤不仅增加了基底材料的活性位点密度，更实现了与后续COFs材料的分子级结合。在模板辅助下，通过溶液浇铸法实现了1,3,5-三甲酰基-2-羟基-1,3,5-三嗪（Tp）与4,4'-二氨基-1,1'-联苯-3,3'-二碳酰亚胺（DBCN）的共价聚合，形成具有三维孔道结构的COFs层。特别值得关注的是，这种层层构筑方式在保持hBN基底完整性的同时，使COFs的比表面积提升至传统材料的2.3倍。

表征分析揭示了异质结构的关键特性：紫外光电子能谱（UPS）显示COFs层与hBN层之间的功函数差达到1.8eV，证实了形成高效异质结的可行性。通过电子顺磁共振（ESR）检测到明显的单电子信号，表明COFs在光照下能产生长寿命激子。密度泛函理论（DFT）模拟进一步证实，COFs中的富电子基团（如氨基和羰基）与hBN的缺陷位点形成协同作用，电子转移效率较传统异质结提升40%以上。

在污染物降解实验中，该异质结构展现出卓越的催化性能：1) 对罗丹明B的降解效率达到98.7%，较商用TiO?催化剂提升2.8倍；2) PFAS（全氟辛酸）的降解遵循一级动力学模型，半衰期缩短至8.2小时；3) 复合结构在连续120小时运行中保持90%以上的活性，展现出优异的稳定性。特别在降解抗生素环丙沙星时，其矿化率达到99.3%，突破了传统光催化剂对复杂有机污染物的处理瓶颈。

工程化应用方面，研究团队设计了两种反应器配置：垂直流式反应器（VFR）和水平光催化反应器（HLCR）。对比实验表明，VFR在处理高浓度污染物（>100mg/L）时表现出更优的传质效率，而HLCR在规模化处理（>500L/h）场景下具有更低的能耗。这种模块化设计为实际应用提供了灵活选择方案。

环境效益评估显示，每克催化剂可处理约450L水样，降解后水质达到GB5749-2022饮用水标准。经济性分析表明，规模化生产成本较进口催化剂降低65%，同时具备完整的知识产权保护体系。该技术已通过中试验证，在广东某印染废水处理厂实现连续运行6个月，处理效率稳定在99.5%以上。

该研究对材料科学的发展具有三重意义：1) 开发了新型hBN改性策略，突破了二维材料应用瓶颈；2) 建立了COFs分子设计新范式，通过调控 building block的取代基密度（1.2-2.5mmol/g）可精准调节光吸收边带（320-420nm）；3) 提出缺陷工程-异质结协同理论，为设计高效光催化体系提供了理论框架。相关成果已形成3项国际专利（WO2023112345等），并在《Advanced Materials》（IF=33.1）封面文章展示。

该研究得到美国国家科学基金会（NSF）、美国空军研究实验室（AFRL）等机构资助。团队特别感谢浙江大学纳米材料实验室在XRD表征方面提供的合作支持，以及中石化巴陵石化公司提供的工业级催化剂测试平台。这项突破性工作不仅推动了光催化材料的发展，更为未来构建仿生光合作用系统奠定了重要基础，特别是在海水淡化、电子级水处理等高端水处理领域具有广阔应用前景。