ZnAl层状双氢氧化物衍生氧化物异质结：可持续NOx减排的高效光催化路径

本研究针对传统TiO2光催化剂在NOx降解过程中NO2释放量高（20-30%）的关键问题，通过热分解ZnAl-NO3-LDH构建ZnO/ZnAl氧化物异质结（LDO），开发出具有91%选择性的新型光催化剂。该材料在20-40 W/m2光照下实现27-29%的NO转化率，NO2释放量仅3-4%，并结合便携式光反应器实现快速评估，为大气污染治理提供可持续解决方案。

　　

随着城市化进程加速，氮氧化物（NOx）污染已成为威胁公共健康和环境安全的突出问题。NOx不仅诱发呼吸系统和心血管疾病，更会形成光化学烟雾、酸雨等二次污染。传统TiO₂光催化剂虽广泛应用，但其宽禁带特性限制可见光利用，且NO降解过程中产生20-30%的高毒性NO₂副产物。这一"效率-选择性"矛盾严重制约了NOx治理技术的实际应用。

意大利都灵大学（University of Torino）的研究团队创新性地将层状双氢氧化物（LDH）材料引入该领域。通过精确控制ZnAl-NO₃-LDH在600°C的热分解过程，成功构建了ZnO/ZnAl氧化物异质结（LDO）。这种材料展现出独特的"记忆效应"——即在一定条件下可恢复原始层状结构，为催化剂再生提供可能。相关成果发表在《Next Materials》期刊，为开发高效、低毒副产物的NOx治理技术开辟新路径。

研究采用共沉淀法合成ZnAl-NO₃-LDH，经600°C煅烧3小时获得LDO。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）等技术表征材料结构，并利用自主设计的便携式光反应器评估性能。该反应器集成UV-LED阵列和电化学传感器，可在15 mL容积中实现湍流混合，10-30秒内达到稳态。

【材料表征】SEM显示LDH原始片状结构经煅烧后转变为扭曲板状混合形貌。XRD证实产物包含ZnO、Zn₆Al₂O₉和ZnAl₂O₄多相异质结，FTIR谱图1385 cm^-1处硝酸根特征峰消失，证实完全转化为氧化物。UV-Vis显示LDO带隙降至3.1 eV，较纯ZnO（3.3 eV）更利于电荷分离。

【光催化性能】在20 W/m²光照下，LDO实现27% NO转化率，NO₂释放仅3%，选择性达91%。提升至40 W/m²时性能进一步提高，NO转化率达29%。通过调节反应器风扇转速（500-4000 rpm）证实，湍流条件可减少边界层厚度，使质量传递阻力最小化。

【机制分析】能带结构计算表明，LDO的导带电位（-0.26 V vs NHE）可驱动O₂还原为·O₂^-，价带电位（+2.84 V）促进·OH生成。表面残留羟基和吸附的CO₃^2-为NOx提供吸附位点，而ZnAl氧化物相作为电子受体抑制载流子复合，共同实现NO→NO₃^-的高效转化。

该研究突破性地解决了光催化NOx治理中效率与选择性的平衡难题。LDO材料不仅性能优于商业TiO₂，其低能耗制备工艺（600°C煅烧）和潜在再生能力更具可持续性优势。配套开发的微型光反应器为快速评估催化剂性能建立新标准，推动实验室成果向实际应用转化。未来通过调控Zn/Al比例或贵金属掺杂，有望进一步提升材料性能，为大气污染防治提供更优解决方案。