【密勒胺melem光催化】孤立的氧化铱位点修饰的碳氮化物用于塑料衍生物的光重整

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加拿大卡尔加里大学Dr. Md Kibria团队报道的本篇文章（Nature Communications 2025, 16, 2862, DOI: 10.1038/s41467-025-57999-w）中，研究团队通过设计一种具有孤立氧化铱（IrO₂）位点的改性碳氮化物（MC），实现了在常温常压下对塑料衍生物（如聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET））的光催化重整，高效生成氢气（H₂）。研究发现，通过在碳氮化物框架中引入氰胺（NCN）功能团和氧桥（O-bridge）结构，显著提升了材料的光吸收性能和电荷分离效率。实验和理论计算表明，孤立的IrO₂位点能够有效捕获光生空穴，并通过O-Ir-OH中间体生成羟基自由基（•OH），从而实现塑料单体的高效氧化和H₂的生成。该研究为塑料废弃物的资源化利用和环境治理提供了新的思路。

研究背景
1.行业问题
全球塑料废弃物累积达83亿吨，其中约80%未被有效回收，导致严重的环境污染和生态破坏。
微塑料（<5 mm）广泛存在于水体和土壤中，对人类健康和生态系统构成威胁。
传统塑料回收方法（如热解和化学回收）需要高温高压条件，能耗高且效率低。
2.研究现状
光催化重整技术被认为是一种低能耗、环境友好的塑料回收方法，但现有催化剂（如g-C₃N₄）存在光吸收范围窄、载流子复合率高等问题。
单原子催化剂（SACs）因其高原子利用率和独特几何结构而备受关注，但其在塑料光催化重整中的应用仍处于探索阶段。
3.本文创新
设计了一种具有NCN功能团和O-桥结构的改性碳氮化物（MC），并负载孤立的IrO₂单原子位点（MCIrSA）。
通过调控碳氮化物的化学结构，显著提升了材料的光吸收性能和电荷分离效率。
提出了IrO₂位点通过O-Ir-OH中间体生成•OH自由基的机制，实现了塑料单体的高效氧化和H₂的生成。

实验和分析
1.材料合成与表征
合成方法：通过热聚合富含氢键的melem-cyameluric酸大分子前驱体，制备了NCN功能化的O-桥碳氮化物（MC）。进一步通过IrCl₃的水解分解和配位，在MC框架中引入孤立的IrO₂位点（MCIrSA）。
关键表征：
X射线光电子能谱（XPS）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）表明Ir以4+δ+氧化态存在，并与C6N7单元发生电荷转移。
固态电子顺磁共振（EPR）和时间分辨光致发光（TRPL）显示MCIrSA具有高效的电荷生成和分离能力。
2.应用性能测试
光催化性能：在模拟太阳光（AM1.5G）照射下，MCIrSA对PLA和PET衍生物的H₂生成速率分别达到147.5 μmol g⁻¹cat h⁻¹和29.58 μmol g⁻¹cat h⁻¹。
稳定性测试：经过多次循环实验，MCIrSA催化剂未观察到明显的金属流失或结构变化，表现出良好的稳定性。
3.性能分析
光吸收与电荷分离：MC的NCN功能团扩展了共轭结构，降低了带隙（2.48 eV），增强了可见光吸收。IrO₂位点的引入进一步促进了光生载流子的分离和迁移。
活性位点机制：DFT计算和原位红外光谱（FTIR）表明，IrO₂位点通过O-Ir-OH中间体生成•OH自由基，显著降低了H₂生成的能垒。

总结
1.成功制备了具有孤立IrO₂位点的改性碳氮化物（MCIrSA），实现了对PLA和PET衍生物的高效光催化重整，生成H₂。
2. IrO₂位点通过O-Ir-OH中间体生成•OH自由基，显著提升了塑料单体的氧化效率。
3. 提出了一种通过调控碳氮化物化学结构和引入单原子位点提升光催化性能的新方法。实现了在常温常压下对塑料废弃物的高效资源化利用，为环境治理和能源转化提供了新思路。
3.该研究为开发低成本、高效的单原子催化剂提供了理论依据，有望推动塑料废弃物的光催化回收技术的实际应用。

Isolated iridium oxide sites on modified carbon nitride for photoreforming of plastic derivatives
文章作者：Pawan Kumar, Hongguang Zhang, Asfaw G. Yohannes, Jiu Wang, Ali Shayesteh Zeraati, Soumyabrata Roy, Xiyang Wang, Karthick Kannimuthu, Abdelrahman M. Askar, Kristen A. Miller, Kexin Ling, Muflih Adnan, Sung-Fu Hung, Jian-Jie Ma, Wei-Hsiang Huang, Dhwanil Trivedi, Maria Molina, Heng Zhao, Angel A. Martí, Adam F. G. Leontowich, George K. H. Shimizu, David Sinton, Michael M. Adachi, Yimin A. Wu, …Md Golam Kibria
DOI：10.1038/s41467-025-57999-w
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57999-w

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