基于MIL-125@ZIF-67衍生的S型TiO2 @Co3 O4 异质结在全光谱激发下高效光热催化降解甲苯的研究

为解决VOC污染问题，研究人员通过煅烧MIL-125@ZIF-67前驱体成功构建了S型TiO2 @Co3 O4 异质结催化剂。该材料在全光谱照射下表现出卓越的光热协同效应，甲苯降解率高达95.7%（40分钟），速率常数提升24.3倍。研究揭示了光催化(PC)与热催化(TC)的协同机制，为环境治理提供了新策略。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机化合物(VOC)污染已成为威胁环境和人类健康的重大挑战。传统处理方法如吸附或热催化存在能耗高、效率低等问题，而单一光催化技术受限于太阳光利用率低和载流子复合率高。近年来，结合光催化(PC)与热催化(TC)优势的光热催化(PTC)技术崭露头角，但其核心挑战在于如何设计兼具高效光热转换和电荷分离能力的催化剂。

针对这一难题，华东理工大学的研究团队创新性地利用金属有机框架(MOF)前驱体MIL-125@ZIF-67，通过可控煅烧构建了具有核壳结构的S型(S-scheme)TiO₂
@Co₃
O₄
异质结催化剂。该研究发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》，系统阐述了材料设计原理与反应机制。

研究采用溶热法合成MIL-125前驱体，通过MOF-on-MOF策略在其表面生长ZIF-67，经煅烧后获得多孔异质结。利用ESR（电子顺磁共振）、¹⁸
O₂
同位素标记、原位DRIFTS（漫反射红外傅里叶变换光谱）等技术解析反应路径，结合H₂
-TPR（氢气程序升温还原）评估氧化还原性能。

【材料形貌与物理化学结构】
SEM显示MIL-125呈1μm方形片状，ZIF-67成功包覆形成核壳结构（图1B）。煅烧后TiO₂
@Co₃
O₄
保持多孔特性，BET比表面积达193.5 m²
/g，显著高于单一组分。XPS证实TiO₂
与Co₃
O₄
间存在强电子相互作用，UV-Vis-DRS显示其具有全光谱吸收能力。

【光热催化性能】
在模拟太阳光下，TiO₂
@Co₃
O₄
的甲苯降解率（95.7%）远超单一TiO₂
（3.9%）和Co₃
O₄
（17.4%），表观速率常数达0.0391 min^-1
。光热协同因子计算表明，PTC活性是PC与TC单独作用之和的2.1倍。

【反应机制】
ESR检测到超氧自由基(•O₂
^-
)和羟基自由基(•OH)的强信号，自由基捕获实验证实二者为关键活性物种。¹⁸
O₂
同位素示踪显示晶格氧参与氧化过程，原位DRIFTS捕获到苯甲酸酯等中间体，证明甲苯通过逐步氧化最终矿化为CO₂
。

研究结论揭示：S型异质结促进电荷分离的同时保留强氧化能力；光生空穴(h⁺
)激活甲苯分子，而热效应加速氧空位再生；多孔结构提供丰富活性位点。这项工作为设计高效PTC催化剂提供了新思路，推动VOC治理技术的实际应用。