基于半導(dǎo)體的光催化是通過(guò)消除氮氧化物(NO)來(lái)凈化空氣的理想方法。然而，載流子分離緩慢、光催化劑失活和氧化不完全是光催化處理室內(nèi)污染物NO的主要瓶頸。基于此，中科院化學(xué)研究所盛樺、漢諾威-萊布尼茨大學(xué)Detlef W. Bahnemann和北京工業(yè)大學(xué)熱沙來(lái)提·海里里等構(gòu)建了具有可控梯度表面缺陷的納米結(jié)構(gòu)ZnO，并進(jìn)一步用于光催化NO去除以研究表面缺陷的作用。

在合成過(guò)程中使用的鋰基助焊劑提供了還原氣氛，在這種氣氛下，表面空位的自發(fā)產(chǎn)生變得更容易，梯度濃度得到精確控制。光催化劑表征證實(shí)了表面缺陷的成功產(chǎn)生，并通過(guò)太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的NO(ppb級(jí))去除研究進(jìn)一步評(píng)估了這些缺陷。結(jié)果表明，與純ZnO和貧V_O-ZnO相比，富含氧空位的ZnO(富V_O-ZnO)NO去除率分別提高5.43和1.63倍，并且有毒產(chǎn)物NO₂形也大幅度減少。重要的是，在非極性面上具有較高V_O的ZnO不僅顯示出增強(qiáng)的NO轉(zhuǎn)化，而且還顯示出通過(guò)產(chǎn)生NO₃^–的NO去除過(guò)程。

基于表面V_O、優(yōu)化的能帶結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的載流子分離，研究人員進(jìn)一步研究了促進(jìn)NO轉(zhuǎn)化的合理反應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明，表面V_O梯度濃度不僅促進(jìn)載流子分離，而且促進(jìn)分子氧活化，導(dǎo)致強(qiáng)氧化劑超氧自由基(·O₂^–)的產(chǎn)生，有助于提高光催化效率。通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算進(jìn)一步研究了小分子(O₂、H₂O和NO)在缺陷表面的吸附，證明了NO和O₂的成功吸附/活化進(jìn)一步促進(jìn)了NO轉(zhuǎn)化率的提高。

ZnO with Controllable Oxygen Vacancies for Photocatalytic Nitrogen Oxide Removal. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c02326