《Journal of Materials Chemistry A》：3D薄殼TiO2上的原子混合催化劑，用于雙?；瘜W檢測和中和（IF=11.99）

背景：

  環(huán)境污染物威脅著數(shù)百萬人的生命，而最先進的策略已經(jīng)出現(xiàn)，這些策略大多基于表面催化活性來修復環(huán)境問題。盡管傳統(tǒng)方案具有主動能力，但它們只能實現(xiàn)單一功能，即感知危險化學品或減少危險化學品，從而限制了確定環(huán)境問題的明確解決方案。本研究提出了一種材料工程方法，該方法采用檢測和中和環(huán)境污染物進行修復。該策略利用超快閃光燈驅(qū)動的熱工程，在三維(3D)金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)具有均勻尺寸分布的超小(<5納米)多元素納米粒子。具體而言，對高度周期性的3D薄殼TiO2進行光子燒結(jié)處理會觸發(fā)強烈的光熱效應(yīng)，使各種表面修飾的金屬離子前體能夠立即還原為原子混合異質(zhì)結(jié)構(gòu)。進行了實驗和計算研究，以調(diào)查異質(zhì)金屬催化劑上發(fā)生的物理化學反應(yīng)。作為概念驗證，證明了雙模光活化四元相(PtPdNiCo)NPs融入3DTiO2中的通用光催化效用，可用于氣態(tài)化學傳感和水中環(huán)境污染物的降解。

文獻介紹：

  環(huán)境排放的危害（如有毒氣體分子、病毒、細菌和全氟烷基物質(zhì)）存在于周圍的空氣和水資源中，對人類健康產(chǎn)生不利影響。根據(jù)《柳葉刀》污染與健康委員會的報告，全球有900萬人患有由大氣和/或水的環(huán)境污染引起的癌癥和哮喘等疾病。因此，大量關(guān)于實時跟蹤室內(nèi)/室外空氣質(zhì)量和直接影響人類健康的水處理的科學研究引起了人們的極大關(guān)注，以防止這些問題。

  納米技術(shù)在解決這些問題方面具有重要價值，它將傳統(tǒng)環(huán)境修復系統(tǒng)（包括多個集成傳感和修復組件）復雜而笨重，轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿突拖冗M的系統(tǒng)。納米結(jié)構(gòu)塊（如納米顆粒 (NPs)、納米纖維和納米片）的精確控制的物理化學性質(zhì)已證明它們能夠通過物理吸附污染物或與污染物發(fā)生電化學反應(yīng)來對抗污染，從而原位修復和/或感測污染物。最近，人們采用納米結(jié)構(gòu)光催化材料（如ZnO、TiO2和TiN）的光激活方案來增強污染物降解性能和/或化學傳感功能。盡管這種光催化反應(yīng)可以對環(huán)境問題提供先發(fā)制人的響應(yīng)，但考慮到自下而上的方法制造的隨機聚集結(jié)構(gòu)，通常是自組裝顆粒而不是受控形式，該裝置在實際使用中的耐用性和可重復性仍然有限。具體而言，在與氣態(tài)/液態(tài)目標物質(zhì)接觸時，基板、電極和材料之間的界面可能會發(fā)生機械分層，從而導致裝置發(fā)生潛在故障，這與裝置降解和/或傳感目標污染物的壽命有關(guān)。

  在材料設(shè)計中，同樣重要的考慮因素是在主體材料上裝飾納米催化劑，以增強光催化功能和修復系統(tǒng)的相關(guān)傳感/降解性能。隨著之前大量努力的出現(xiàn)，為納米催化劑找到了組成金屬原子的優(yōu)化組合，多種協(xié)同元素（如多元素NPs-PE NPs）已經(jīng)出現(xiàn)，以實現(xiàn)對目標化學物質(zhì)的卓越電化學響應(yīng)，而這些響應(yīng)在其固有的單一元素對應(yīng)物中是找不到的。合成PE NPs的主流策略基于熱沖擊退火方法，例如焦耳加熱和光熱過程。例如，強脈沖光(IPL)技術(shù)提供了一種將PE NP納米催化劑遞送到所需載體上的強大方法。通過照射波長范圍（300–1000nm）的脈沖光（<1s），通過光熱轉(zhuǎn)換驅(qū)動極端光子能量轉(zhuǎn)移，在目標樣品上進行瞬時高溫退火過程（>1000K，<1s），可以在幾乎不發(fā)生宿主材料降解的情況下形成超小尺寸（<5nm）的高質(zhì)量納米催化劑。雖然技術(shù)影響重大，但缺乏對控制因素（光在材料中的傳播和PE NPs的溫度依賴性形成）的潛在物理特性的深入研究，以及如何在宿主材料上設(shè)計PE NPs，特別是在復雜的三維（3D）納米結(jié)構(gòu)上，仍不清楚。此外，盡管這些材料性能優(yōu)異，但它們只專注于一種功能，即有害分子感應(yīng)或還原，從而阻礙了它們在環(huán)境污染物威脅方面的實際應(yīng)用。

 在這里，我們報告了一種前所未有的光熱效應(yīng)，通過將光子燒結(jié)處理的光子能量聚焦在用金屬離子前體裝飾的高度周期性的3D薄殼TiO2（3D TiO2）上，可以有效形成PE NPs。3D TiO2的關(guān)鍵形狀因子經(jīng)過優(yōu)化，總膜厚度為6毫米，殼厚度為30納米，在光子燒結(jié)處理后可在氧化物界面處提供強光散射，從而增強光吸收和增強光熱效應(yīng)。因此，涂覆在TiO2表面的金屬離子前體立即還原，形成原子混合異質(zhì)結(jié)構(gòu)（例如Pt、PtPd、PtPdNi、PtPdCo和PtPdNiCo）的高度表面反應(yīng)性PE NPs（<5nm）。實驗測量和多物理計算模擬定義了所有底層機制，以指導材料系統(tǒng)中的關(guān)鍵考慮因素。此外，一組使用3D TiO2@PE NPs的實例展示了在三個代表性應(yīng)用中的能力，（1）在室溫下選擇性切換化學檢測，作為使用半導體金屬氧化物的光活化化學傳感器的基本功能；（2）作為使用光催化活性的潛在環(huán)境修復系統(tǒng)的可重復使用的活性成分；（3）在單個設(shè)備中實現(xiàn)H2S氣體傳感的雙模式以及對水中環(huán)境污染物（如亞甲藍(MB)和全氟辛酸(PFOA)）的中和。

引用：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta02160b

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