氮掺杂Co3O4表面局域极化子光-臭氧协同催化降解二氯甲烷的机制研究

针对光热效应导致载流子复合限制太阳能利用的问题，研究人员通过冷冻-秸秆毛细作用法合成N掺杂Co3O4-FC催化剂，发现其光诱导非热效应可稳定局域极化子，将表面Co2+转化为Co3+活性位点，在70°C光照下使二氯甲烷降解率提升37.8%，矿化效率提高163.6%，为低温催化氯代有机物提供了新策略。

　　

随着工业发展，氯代挥发性有机物（CVOCs）如二氯甲烷（DCM）的排放量逐年攀升，其致癌性和环境持久性对生态系统构成严重威胁。传统热催化降解需300°C以上高温，能耗巨大；而光催化虽能利用太阳能，却因光热效应加剧载流子复合而效率受限。如何实现CVOCs在低温条件下的高效降解，成为环境催化领域亟待突破的瓶颈。

中国某研究机构团队在《Environmental Research》发表论文，创新性地将植物维管束的毛细现象启发应用于材料合成，开发出冷冻-秸秆毛细作用法制备氮掺杂Co₃O₄（Co₃O₄-FC）。该材料在光-臭氧协同催化体系中展现出独特的非热效应：通过d-d跃迁形成稳定的局域极化子，在25-70°C范围内将表面Co²⁺转化为Co³⁺活性位点，显著提升DCM降解效率。研究首次揭示了光诱导与热催化协同作用机制，为低温净化CVOCs提供了新思路。

关键技术包括：冷冻干燥秸秆作为氮掺杂模板、紫外-可见-近红外漫反射光谱（UV-vis-NIR DRS）分析光学性质、表面光电压谱（SPV）检测电荷分离效率、X射线光电子能谱（XPS）表征表面价态变化，以及连续流动系统评估催化性能。

研究结果

1. 材料特性：冷冻干燥秸秆的接触角比烘箱干燥低28.1°，其毛细作用促进氮均匀掺杂，使Co₃O₄-FC具有更高结晶度和更小粒径。
2. 光学性能：N掺杂增强可见光吸收，SPV证实Co₃O₄-FC的载流子分离效率比空白样品高3.2倍。
3. 表面化学：光照下Co²⁺通过d-d跃迁转化为Co³⁺，XPS显示Co³⁺/Co²⁺比值提高41%，形成稳定极化子。
4. 催化性能：70°C光照时，Co₃O₄-FC的DCM降解速率（R_DCM）提升37.8%，矿化效率达163.6%，臭氧利用率提高73.7%，而空白样品无显著变化。

结论与意义
该研究突破性地证明：光诱导局域极化子可调控催化剂表面活性位点分布，实现光热与光生载流子效应的协同增效。相较于传统需300°C以上的热催化，该方法在≤120°C即可高效降解CVOCs，且通过调节臭氧投加量避免能源浪费。特别值得注意的是，Co³⁺位点对C-Cl键的选择性活化机制，以及N掺杂增强的DCM吸附选择性，为设计新型环境催化剂提供了分子层面的指导。这种仿生合成策略可拓展至其他过渡金属氧化物体系，对实现"双碳"目标下的低能耗污染治理具有重要实践价值。