内电场强化的骨架铜掺杂氮化硼纳米带高效催化去除有机污染物研究

　　 非均相芬顿反应（Heterogenous Fenton reaction）能够生成高氧化性的羟基自由基（-OH）而有效地分解水中的有毒有机污染物，已成为一种实用有效的水处理技术。然而，许多非均相芬顿催化剂仍存在自然环境条件下催化活性较弱，pH应用范围较窄，且稳定性较差等问题。六方氮化硼（h-BN）作为类石墨烯二维层状结构材料，具有化学稳定性和热稳定性高、环境相容性好和无毒等特性，可用于芬顿反应体系，且在BN中掺杂金属原子可以改变其电子结构，提高化学反应活性。目前，关于金属掺杂BN的合成以及BN相关材料作为类芬顿催化剂的应用研究报道甚少。中国科学院生态环境科学研究中心的一个研究组开发了一种新型的铜掺杂氮化硼纳米带（Cu-BN）的制备方法，并对此芬顿体系中催化剂的构-效关系进行了深入研究，相关的研究成果发表在2019年的《Journal of Materials Chemistry A》上。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）得到的催化剂结构经DFT计算建立的静电势分布：（a）无缺陷的BN；（b）本研究合成的含缺陷的BN；（c）平面的和（d）三维的铜掺杂氮化硼（Cu-BN）的静电势分布图。（其中，白、蓝、粉、红和橙色球分别代表H、N、B、O和Cu原子） 

　　该研究组探究了所制备的Cu-BN催化剂的化学结构。特别地，利用北京同步辐射装置（BSRF）的1W1B-XAFS实验站在透射模式下测得的Cu的 K边扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）提供了催化剂的原子近邻结构的详细信息。EXAFS曲线拟合表明，除了由于相邻Cu原子的背散射得到的Cu-Cu壳层（键长为2.9？）外，还观察到Cu-BN催化剂中存在Cu-N壳层和Cu-B壳层，证实了Cu被掺入BN骨架，形成Cu-N-B键。在此结果基础上，通过密度泛函理论（DFT）确定了催化剂上的静电势分布如上图所示。理论计算和实验结果证明，由于Cu的掺入导致BN电子分布不均匀，形成了内电场，从而促进-OH的生成。因此，Cu-BN芬顿催化剂在pH 3-11范围内对各种难降解污染物的降解和矿化均具有极高的催化活性，且催化剂具有良好的稳定性。 

　　本研究通过金属掺杂来调节催化剂的电子分布，为开发可用于水环境修复的非均相芬顿催化剂提供了新的视角。在此研究工作中，同步辐射源是揭示环境功能材料化学键结构的重要表征技术。 

　　发表文章：Lingfei Li, Chun Hu, Lili Zhang,^* Guangfei Yu, Lai Lyu, Fan Li and Ning Jiang. Framework Cu-doped boron nitride nanobelts with enhanced internal electric field for effective Fenton-like removal of organic pollutants, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 6946-6956.