燃油是一种重要的战略资源，全球每天消耗约9500.8万桶石油。其广泛的工业应用伴随严重的环境和健康问题，因为成分中含有含硫化合物，导致有害的燃烧废物。研究人员已经展开广泛研究，开发低硫化燃料生产技术。世界各国为解决柴油燃烧问题，制定燃油质量标准，降低柴油中硫含量，实现绿色燃油目标。迄今为止，工业上最主要的脱硫技术是加氢脱硫（HDS），但成本高（需要高温、高压条件，消耗H₂）。因此，开发新型绿色脱硫工艺至关重要。在众多的非加氢脱硫方法中，光催化氧化脱硫因为绿色安全、操作条件温和、能耗低和效率高等特点赢得众多研究者的青睐。

本研究通过密度泛函理论 (DFT) 计算了MIL101、g-C₃N₄和CDs的功函数Φ，以及CDs-C₃N₄、MIL101/CDs-C₃N₄的电荷差分密度。阐明了MIL101/CDs-C₃N₄中光生电荷载流子的迁移途径，实验证明电子从MIL101迁移到g-C₃N₄，接着在g-C₃N₄上被CDs捕获，从而促进了MIL101/CDs-C₃N₄光生载流子的高效分离。本研究结合了能带位置、ERP分析和活性组分捕集实验，来分析光催化氧化脱硫的机理。研究各种光催化剂（O₂和H₂O₂）活化过程的吉布斯自由能变化，揭示了光催化反应的热力学方面。实验结果表明，MIL101/CDs-C₃N₄异质结光催化剂具有高效的载流子分离效率和强大的ROS产生热力学驱动力。此外，通过气相色谱质谱仪（GC-MS）和离子色谱的表征，揭示了二苯并噻吩（DBT）的氧化过程以及最终的矿化产物。最终，DBTO₂分解为SO₄^2-、CO₂和H₂O。

在该工作中，通过热聚合-水热策略设计了高效的MIL-101/CQDs@g-C₃N₄ (MIL101/CDs-C₃N₄) Z型异质结光催化剂，具有高载流子分离和迁移率。高浓度的光生载流子促进了O₂和H₂O₂的活化，从而产生更多的ROS（·O₂^-、·OH、h⁺），增强了光催化脱硫能力。此外，利用DFT计算确定了催化剂的电子迁移途径和DBT的吸附能。吉布斯自由能计算显示，MIL101/CDs-C₃N₄对O₂和H₂O₂的活化能最低。基于理论计算和实验研究的结合，提出了光催化脱硫的机理。本研究为基于MOF的Z型系统的开发及其在脱硫过程中的实际应用提供了指导。

近日，扬州大学化学化工学院王天奕副教授、庞欢教授和王赪胤教授等通过热聚合-水热策略设计了高效的MIL-101/CQDs@g-C₃N₄ (MIL101/CDs-C₃N₄) Z型异质结光催化剂，促进了光生载流子的有效分离，实现了高效的光催化脱硫。该成果以“Efficient Photocatalytic Desulfurization in Air through Improved Photogenerated Carriers Separation in MOF MIL101/Carbon Dots-g-C₃N₄ Nanocomposites” 为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》 上，论文第一作者为博士研究生周小雨。

文章信息：Xiaoyu Zhou, Tianyi Wang*, Di He, Peng Chen, Hang Liu, Hongying Lv, Haonan Wu, Dawei Su, Huan Pang*, Chengyin Wang*, Efficient photocatalytic desulfurization in air through improved photogenerated carriers separation in MOF MIL101/carbon dots-g-C₃N₄ nanocomposites. Angewandte Chemie International Edition, 2024, e202408989 (DOI: 10.1002/anie.202408989)

论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202408989