北理工前沿交叉院王博教授在Angew. Chem. Int. Ed.期刊發(fā)表重要研究成果
發(fā)布日期：2018-11-29 供稿：前沿交叉學(xué)院、新能源前線(xiàn)
編輯：朱倩云 審核：王博 閱讀次數(shù)：近日,，在北京理工大學(xué)王博教授,、陳世稆教授和馬小杰助理教授團(tuán)隊(duì)（共同通訊作者）帶領(lǐng)下,，提出了一種含鐵金屬有機(jī)框架MIL-100（Fe），用于去除臭氧,。相關(guān)成果以題為“An Iron-Containing Metal–Organic Framework as a Highly Efficient Catalyst for Ozone Decomposition”發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Angew. Chem. Int. Ed.上,。
MIL-100（Fe）在室溫下相對(duì)濕度為45％，空間速度為1.9×105 h-1時(shí),，在100小時(shí)內(nèi)具有100％的持久臭氧轉(zhuǎn)化效率,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大多數(shù)的性能，顯示出優(yōu)異且穩(wěn)定的催化效率,。該MOF優(yōu)于許多吸附劑和催化劑,，如活性炭和α-MnO2（12小時(shí)后分別降至臭氧分解的18％和60％）。更重要的是,，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)水在MOF催化臭氧分解中起協(xié)同作用,，即使在極端潮濕的條件下（例如> 90％RH）也能實(shí)現(xiàn)完全去除臭氧。為了進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用,，團(tuán)隊(duì)還用熱壓（HoP）法對(duì)MIL-100（Fe）進(jìn)行了加工,，制造了一種基于MOF的催化過(guò)濾器；作為口罩上的過(guò)濾器,，它顯示了對(duì)低濃度臭氧幾乎完全的保護(hù),。本研究證明了MOF在臭氧污染控制方面的巨大潛力，也為臭氧分解催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解,。
地面臭氧是世界上主要的空氣污染物之一,，由于其高反應(yīng)性和強(qiáng)氧化能力,，直接導(dǎo)致光化學(xué)煙霧。長(zhǎng)期暴露于臭氧會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的肺損傷,，并增加因呼吸道疾病而早死的風(fēng)險(xiǎn),。臭氧去除的主要方法有活性炭吸附、化學(xué)吸附和催化分解,。吸附劑再生和廢液處理的不可避免的問(wèn)題意味著多相催化是目前最有效的方法,。迄今為止，通過(guò)使用貴金屬和過(guò)渡金屬氧化物作為催化劑分解消除臭氧,。在這些報(bào)道的催化劑中,，MnO2具有較好的分解活性和較低的成本。然而,，由于吸附在表面的氧物質(zhì)的積累,，其活性急劇下降。更重要的是,，由于水在反應(yīng)性位點(diǎn)上的競(jìng)爭(zhēng)性吸附,，MnO2在水蒸氣存在的情況下顯示出降低的活性。盡管為了在高濕度環(huán)境下獲得良好的活性,，貴金屬催化劑一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn),，但由于其高成本和稀缺性，貴金屬的大規(guī)模應(yīng)用受到了限制,。因此,，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異活性和在潮濕環(huán)境下性能穩(wěn)定的非貴金屬催化劑是非常有必要的。
圖1 MIL-100（Fe）作為臭氧分解的催化劑
圖2 MIL-100（Fe）物理性能表征及對(duì)臭氧轉(zhuǎn)化率
（a）MIL-100（Fe）的臭氧轉(zhuǎn)化率,。b）模擬的,、合成的和暴露于臭氧的MIL-100（Fe）的粉末XRD圖案。c）在暴露于臭氧之前和之后,，MIL-100（Fe）的N2吸附等溫線(xiàn),。插圖：MIL-100（Fe）的孔徑分布。d）分別對(duì)MIL-100（Fe）,、α-MnO2,、活性炭、α-Fe2O3和β-MnO2進(jìn)行臭氧轉(zhuǎn)化,。條件：用0.27g石英砂稀釋的0.03g催化劑,， C( O3)= 45ppm，流速="1000mL" min-1,，RH="45％,，室溫。）
圖3 MIL-100（Fe）在不同高濕度環(huán)境下對(duì)臭氧的轉(zhuǎn)化率
（a）分別在<5％RH、20％RH,、30％RH,、40％RH和> 90％RH下MIL-100（Fe）的臭氧轉(zhuǎn)化率。b）在交替相對(duì)濕度下MIL-100（Fe）上的臭氧轉(zhuǎn)化率,。c）優(yōu)化了在MIL‐100(Fe)催化臭氧分解過(guò)程中沿路徑穩(wěn)定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的勢(shì)能曲線(xiàn),。藍(lán)色和紅線(xiàn)分別表示六重態(tài)和四重態(tài)MIL-100(Fe)氫氧化物復(fù)合物的能級(jí)。實(shí)驗(yàn)條件：用0.27g石英砂稀釋0.03g催化劑,， C( O3)= 45ppm,，流速="1000mL" min-1，RH="45％,，室溫,。）
圖4 MOFilter的制作及其應(yīng)用測(cè)試
（a，b）MOFilter的照片和包含MOFilter的口罩,。c）MOFilter的SEM圖像,。d）（c）中方框的放大圖像。e）模擬MIL-100（Fe）,，無(wú)紡布和MOFilter的XRD圖案,。f）MOFilter上的臭氧去除，入口臭氧濃度為200ppb,，室溫下RH為45％。）
團(tuán)隊(duì)探索使用了MOF進(jìn)行催化臭氧分解的可能性和詳細(xì)機(jī)理,。研究了在潮濕環(huán)境中的催化活性,，發(fā)現(xiàn)使用MIL-100（Fe）的臭氧去除效率可以達(dá)到100％并且在45％RH的高流速下持續(xù)超過(guò)100小時(shí)。通過(guò)與多孔吸附劑（活性炭）和過(guò)渡金屬氧化物催化劑（α-MnO2）的比較,，進(jìn)一步驗(yàn)證了MIL-100（Fe）的優(yōu)異活性）,，用臭氧快速停用，在12小時(shí)內(nèi)分別降至18％和60％,。研究發(fā)現(xiàn),，當(dāng)使用MOF作為活性催化劑時(shí)，水的存在有利于消除臭氧,，并且在相對(duì)濕度為40％至大于90％的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)臭氧的完全分解,。此外，MOFilter已經(jīng)被制作并用作口罩中的過(guò)濾層,，以防止低水平的臭氧,。這些研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了MOF對(duì)污染控制的重要性，并可能為開(kāi)發(fā)臭氧分解的其他催化劑開(kāi)辟新的可能性,。
文獻(xiàn)鏈接：An Iron-Containing Metal–Organic Framework as a Highly Efficient Catalyst for Ozone Decomposition（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201810268）
【個(gè)人簡(jiǎn)介】
王博,，2004年畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院，獲學(xué)士學(xué)位；2006年畢業(yè)于美國(guó)密歇根大學(xué),，獲理學(xué)碩士學(xué)位,；2008年畢業(yè)于美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)系,，獲理學(xué)博士學(xué)位,。
2008-2011年任職于德國(guó)巴斯夫公司，任研究員,、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,；2011年底入職北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院。現(xiàn)任北京理工大學(xué)學(xué)部委員,、特聘教授,、爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防護(hù)技術(shù)方向?qū)W術(shù)帶頭人。2015年獲中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng),，2016年獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助,，2017年入選科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。
近五年來(lái),，已作為通訊作者在JACS（7篇）,、Angew.（4篇）、Adv. Mater.（4篇）,、Chem. Soc. Rev. （2篇）,、EES （2篇）、Chem. Sci.（2篇）等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表50余篇論文,，其中SCI影響因子10.0以上超過(guò)20篇,。全部已發(fā)表論文SCI他引超過(guò)7000次，單篇最高他引1800次,，共計(jì)有超過(guò)12篇文章入選ESI高被引論文,。已經(jīng)獲批美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng),。研究成果受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可和關(guān)注,，被國(guó)際專(zhuān)業(yè)期刊多次正面評(píng)述報(bào)道。開(kāi)拓的MOF薄膜防護(hù)與檢測(cè)研究及其成膜理論已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外多個(gè)著名MOF研究課題組追蹤報(bào)道和借鑒,，并應(yīng)用到了多個(gè)重要科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域,。
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