论文DOI：10.1021/acscatal.0c00693 ACS Catal. 2020, 10, 7230−7239
光催化技术已广泛应用于挥发性有机化合物（VOCs）的降解，目前的研究已经在材料设计、性能提升和反应机理方面取得了显著的进展，但大多数报道仅针对某一种VOCs降解展开研究，而VOCs往往是以混合污染物的形式存在于真实的排放场合中。因此，不同VOCs之间的相互作用机制以及VOCs混合污染物的协同降解机理还有待深入研究。在这项工作中，作者对甲醛（CH2O）和甲苯（C7H8）混合降解进行了综合考察。研究发现，CH2O/C7H8混合污染物的协同降解效率显著高于对应的单组分污染物，本文采用的的SnO2光催化剂能保持8小时的光催化效率，即使暴露在空气中30天后，其光催化性能依然稳定。反应机理研究表明，甲醛对甲苯的加成，实现了苯环的活化，从而提升了CH2O/C7H8混合污染物的协同降解效率。采用紧密结合的GC-MS与DFT理论计算方法，作者发现，通过甲醛对甲苯的加成，生成了关键的开环中间体，从而显著提升了苯环的吸附-活化效率。这项工作可以通过赋予传统的SnO2光催化剂新的应用，更好地揭示光催化技术在降解关键气体污染物中的实用性。
作者通过简单的水热反应合成了催化材料SnO2。通过HAADF-STEM发现材料的Sn和O元素均匀分布，且无明显的缺陷。此外，催化剂还用了SEM，TEM，XRD，BET，UV，PL，ESR等做了表征，这里不多做赘述。
本次实验将总VOCs浓度设置为80 ppm，如图所示可知当CH2O和C7H8混合降解时，降解效率比单一污染物降解效率高出了20%左右。在其他常见的光催化剂，如β-Ga2O3和TiO2上也观察到了这种VOCs混合污染物的协同降解作用。也就是说，VOCs的降解效率明显提高，不只是单一组分的降解效果提高，而是两种VOCs混合之后降解效果同时提高，这有利于在环境修复中的实际应用。此外还进行了稳定性测试，在紫外线照射下连续注入甲醛/甲苯混合物，研究了8小时内的SnO2性能的稳定性。实验表明，在3小时后观察到CH2O和C7H8的最佳降解效率分别为80％和87％，且在整个8个小时内都没有失活现象。
为了揭示甲醛/甲苯混合协同降解的控制因素，需要考虑甲醛与甲苯分子之间的相互作用。因此，在吸附和光催化降解过程中，作者采用了原位红外光谱（in situ DRIFTS）监测污染物与SnO2表面之间的相互作用。如图所示，值得注意的是在甲醛甲苯混合的情况下，与单独的CH2O相比，在紫外光照射下可以观察到混合物中CH2O的快速消耗，这意味着混合物中CH2O降解的效率提高了，这符合活性评价的结果。在对原位红外结果进行分析之后，由于缺少气态中间体信息，C7H8的开环过程仍然不清楚。因此，作者通过GC-MS对气相反应机理进行了研究。如图所示，GC-MS结果表明，C7H8作为单一组分和混合组分发生降解反应时，产生的开环中间体不同。由于甲醛对接甲苯的加成，实现了甲苯/甲醛混合污染物协同降解的性能提升。
因仍不确定CH2O对C7H8的加成是否有利于混合污染物降解效率的同步提升。作者随后采用了 DFT 理论计算，对甲苯/甲醛光催化协同降解的微观分子机制进行了初步探索。计算结果表明，甲醛对苯环的加成反应可以促进污染物分子与光催化剂界面的电荷传输，实现有效的污染物吸附和活化，最终提升了甲苯开环的反应速率，实现了甲苯/甲醛混合污染物的高效光催化降解。
作者结合实验数据和模拟计算，评估了在高效稳定的SnO2光催化剂上对甲醛/甲苯混合物进行光催化处理的实际可行性。研究数据表明两种VOCs混合的降解效率能得以协同提升。此外在紫外光照射下，8小时内SnO2能保持稳定的光催化效率性能，本次研究得以实现了VOCs的有效和稳定降解。本次工作的总体结果为推动光催化技术在现实世界中的应用提供基础，为降解有毒有害的VOCs、实现有效和安全的空气净化提供了依据。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00693
