港城大/上海电力JACS:掺氮碳-PVDF复合材料上锚定Ca单原子…

华算科技 2024-07-08 14:05:39

压电纳米粒子在机械应力(如超声振动)作用下,可以在其区域内产生内置电场。这种电场促进了压电材料和环境介质(如水和氧分子)之间界面上自由电荷的积累,触发氧化还原反应,产生活性氧物种,有效地去除环境中的污染物。聚偏氟乙烯(PVDF)膜因其良好的化学稳定性、热稳定性、机械稳定性和压电效应性而受到广泛关注。在PVDF膜中加入石墨烯或氧化石墨烯可以有效地提高其压电催化活性,因为包埋的纳米粒子可以促进β相的形成。ZIF基多孔炭具有数量大、成本低、比表面积大、中孔多等特点,是一种非常有利于催化反应的材料。因此,开发多孔碳基压电催化剂有望在压电催化领域得到实际应用。

近日,香港城市大学李振声、张瑞勤和上海电力大学姚伟峰等通过在掺氮碳和聚偏二氟乙烯(PVDF)的复合材料上固定孤立的Ca原子(Ca-PVDF),证明了基于单个金属原子的压电聚合物膜具有高压电催化活性。实验结果表明,Ca原子锚定碳纳米粒子的加入不仅促进了PVDF中β相的形成(从29.8%增加到56.3%),而且引入了更高的孔隙率和亲水性。在超声激发下,所制备的催化剂膜具有0.11 min-1的准一级动力学速率常数和99.8%的抗菌性能。此外,Ca-PVDF在经过8个催化循环后仍保持良好的污染物降解性能。

理论计算表明,单原子Ca掺杂是影响催化活性的主要因素,PVDF与Ca原子之间可能存在的协同效应可以改善催化性能。在Ca-PVDF上,O2分子很容易被氢化生成•OH,而β相PVDF提供的局域电场可以增强•O2−的生成,进而协同提升了整体催化活性。 此外,从材料结构方面来看,碳纳米粒子的修饰将导致膜的多孔形态,这有助于打开传质通道和大量暴露的活性中心,有助于产生活性氧物种和有机化合物的降解;同时,纳米粒子的加入使PVDF纤维化,不仅提高了聚合物的结晶度和β相产生,而且改善了聚合物链在区域内的取向;还有就是,孔隙率也降低了膜的杨氏模量,从而在相同的机械应力下产生更多的结构变形。高度多孔的表面结构和增加的亲水性可以促进目标污染物/O2的进入和降解产物的排出,有效地利用活性位点。

Calcium single atom confined in nitrogen-doped carbon-coupled polyvinylidene fluoride membrane for high-performance piezocatalysis. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c03851

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