Angew. Chem. ：改进MIL101/Carbon Dots-g-C3N4光生载流子分离效率实现高效光催化脱硫

燃料油是一种重要的战略资源，全球每天消耗约9500.8万桶石油。其广泛的工业应用伴随严重的环境和健康问题，因为成分中含有含硫化合物，导致有害的燃烧废物。研究人员已经展开广泛研究，开发低硫化燃料生产技术。世界各国为解决柴油燃烧问题，制定燃油质量标准，降低柴油中硫含量，实现绿色燃油目标。迄今为止，工业上最主要的脱硫技术是加氢脱硫（HDS），但成本高（需要高温、高压条件，消耗H₂）。因此，开发新型绿色脱硫工艺至关重要。

在众多的非加氢脱硫方法中，光催化氧化脱硫因为绿色安全、操作条件温和、能耗低和效率高等特点赢得众多研究者的青睐。扬州大学王赪胤教授团队通过简单热聚合和水热的方法制备高效的MIL101/CDs-C₃N₄ Z-型异质结光催化剂，促进了光生载流子的有效分离，实现了高效的光催化脱硫。

本研究通过密度泛函理论 (DFT) 计算了MIL101、g-C₃N₄和CDs的功函数Φ，以及CDs-C₃N₄、MIL101/CDs-C₃N₄的电荷差异密度和平均平面电荷密度差异。阐明了MIL101/CDs-C₃N₄中光生电荷载流子的迁移途径，实验证明电子从MIL101迁移到g-C₃N₄，接着在g-C₃N₄上被CDs捕获，从而促进了MIL101/CDs-C₃N₄光生载流子的高效分离。

本研究结合了能带位置、ERP分析和活性组分捕集实验，来分析光催化氧化脱硫的机理。研究各种光催化剂（O₂和H₂O₂）活化过程的吉布斯自由能变化，揭示了光催化反应的热力学方面。实验结果表明，MIL101/CDs-C₃N₄异质结光催化剂具有高效的载流子分离效率和强大的ROS产生热力学驱动力。此外，通过气相色谱质谱仪（GC-MS）和离子色谱的表征，揭示了二苯并噻吩（DBT）的氧化过程以及最终的矿化产物。最终，DBTO₂分解为SO₄^2-、CO₂和H₂O。

在该工作中，王天奕、庞欢、王赪胤团队等通过热聚合-水热策略设计了高效的MIL-101/CQDs@g-C₃N₄ (MIL101/CDs-C₃N₄) Z型异质结光催化剂，具有高载流子分离和迁移率。高浓度的光生载流子促进了O₂和H₂O₂的活化，从而产生更多的ROS（·O₂^–、·OH、h⁺），增强了光催化脱硫能力。此外，利用DFT计算确定了催化剂的电子迁移途径和DBT的吸附能。吉布斯自由能计算显示，MIL101/CDs-C₃N₄对O₂和H₂O₂的活化能最低。基于理论计算和实验研究的结合，提出了光催化脱硫的机理。本研究为基于MOF的Z型系统的开发及其在脱硫过程中的实际应用提供了指导。

论文信息

Efficient Photocatalytic Desulfurization in Air through Improved Photogenerated Carriers Separation in MOF MIL101/Carbon Dots-g-C₃N₄ Nanocomposites

Dr. Xiaoyu Zhou, Prof. Tianyi Wang, Dr. Di He, Dr. Peng Chen, Dr. Hang Liu, Dr. Hongying Lv, Haonan Wu, Prof. Dawei Su, Prof. Huan Pang, Prof. Chengyin Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202408989