社会快速发展和人类物质文明高度发达的同时，能源和环境等问题也愈发突出。根据国家提出的碳达峰、碳中和战略，煤炭通过燃烧直接用于发电、供热将受到限制，而将其转化为具有高附加值的原材料，实现煤炭清洁利用具有重要意义。煤及其副产品中具有大量超小的sp2杂化纳米微晶，符合荧光碳点（CDs）所需要的天然结构特征与组分。基于此，本课题组发展了用煤及煤沥青规模化制备荧光碳点的技术，而当前实现煤基荧光碳点的宏量应用是推动煤基新材料产业链形成的关键。 CDs是一种具有多色荧光发射和半导体性质的零维碳纳米材料，其直径一般小于10nm，具有sp2杂化的石墨碳核以及广泛分布的表面官能团。CDs中存在的边缘缺陷、不同成分和表面态赋予其可调谐的发光、易于功能化、优异的光催化和光热效应，可以与其他材料复合用于能源转化和利用。超声催化具有环境友好、形成空化效应加速化学反应等特点，可以实现对有机污染物的有效去除，但是有待开发新型高响应性的声敏剂来提高催化效率。CDs是尺寸较小的纳米颗粒，表面具有丰富的官能团，因此，作为声敏剂可以形成更多的空化效应，超声产生的极端条件可以分裂CDs表面的基团，有望提供更多活性氧用于有机污染物的去除。过氧化氢（H2O2）作为液态能源，被用于芬顿反应、化工合成、医疗消毒、环境修复等领域，市场需求量巨大。虽然目前已经开发了多种用于H2O2制备的催化材料，其中，共价三嗪框架（CTFs）因其独特的结构和良好的稳定性使其在光催化产H2O2中脱颖而出，但仍存在对可见光的利用率低、载流子快速复合等问题。借助界面效应，CDs可提供中间能级，提高可见光的利用，同时CDs作为电荷的供体/受体和储层，促进电荷转移，抑制光载流子的重组。因此，本文利用CDs作为新的声敏剂超声催化降解有机污染物，在良好催化效果的基础上发现一种新的超声机制。同时，CDs与CTFs制备的复合光催化剂显著提升了载流子的分离能力，使H2O2的光催化产率得到了极大提高。本文具体的研究内容如下： （1）利用煤沥青碳点作为声敏剂，研究了超声催化降解罗丹明B的效果与反应机理。发现与典型的声敏剂TiO2相比，碳点超声催化活性几乎是TiO2的2倍，且表现出不一样的催化机制。实验表明，超声空化效应可以使CDs表面的含氧基团发生断裂，同时还具有热解和声致发光特性。研究揭示了空化泡溃灭过程中CDs含氧基团的断裂会产生一种瞬态的活性物质—氧自由基（?O-），随后?O-与H+和H2O发生由?O-到?OH和?O2-的快速转化反应，促进活性氧（ROS）的产生，从而导致高性能的超声催化。同时，这些转化反应是可逆的，可以通过水溶液的pH值进行调节，pH值决定了超声辐射下?O-的生成和进化反应，有望实现对微环境中ROS产率的控制。 （2）CDs和单体对苯二腈通过有机界面的方法合成CDs@CTFs复合催化剂，透射电镜表征和对比实验结果说明CDs@CTFs是一种独特纳米级夹层结构。实验发现，CDs诱导CTFs在其表面的快速成核和生长，可实现每小时生产率提高13.5倍，显著提高光催化H2O2的生产，效率是纯CTFs的22.6倍，太阳能-化学能转换（SCC）效率达到0.16%。结果表明，CDs在CTFs中可以及时提取和存储光激发空穴，扩大了长波长光吸收，创建了可利用的中间带。另外，CDs可以吸附碱金属离子来调节其诱导的CTFs层间表面极化电场，进一步促进载流子的分离和迁移，有利于水的氧化，提高H2O2的产生速率。因此，可以利用CDs@CTFs在海水中光合作用产H2O2，而不必承担淡水资源短缺和材料成本高的负担。 （3）为了进一步提高光催化产H2O2的效率，采用温和无金属无溶剂的方法制备了高结晶性的复合催化剂CDs@CTFs。表征与实验发现通过煅烧的方式CDs仍然存在，并且与CTFs形成插层结构。CDs@CTFs相比于单纯CTFs，催化性能提高了2.3倍。催化剂体系中引入CDs不仅扩大了光吸收范围，而且促进了激子解离及载流子的分离，构成空间分离的氧化还原中心，从而促进氧还原反应（ORR）和水氧化反应（WOR）双通道产H2O2。此外，证明了碱金属离子与CDs结合可以帮助CDs从CTFs中提取光生空穴，以驱动人工光合作用，使光催化效率提高34%，并通过模拟计算验证了这一结论。结果表明，复合催化剂的H2O2产率为2464μmol-1g-1h-1，SCC效率为0.90%，是目前报道的颗粒光催化（PC）体系中最高的光催化材料。更重要的是，它可以在自然阳光下连续工作，经过100天的回收使用和储存证明，仍具有良好的稳定性。
NETL
