大氣中的氮氧化物（NOx，包括NO、NO2）是二次氣溶膠形成的重要前體物。光催化技術借助光能激發形成的強氧化性物種氧化NOx，以降低其濃度、阻斷其凝聚生成二次氣溶膠的大氣化學反應途徑，具有廣闊的應用前景。
近期，中國科學院地球環境研究所環境污染控制小組研究員黃宇團隊聚焦NO光催化降解過程中的吸附熱力學吸/脫附、能帶調控光吸收及高效光生電子-空穴分離等行為，開展納米材料表面的空位調控研究，設計和發展出一系列高效納米光催化材料，并有效將其應用于大氣中低濃度NO的降解研究。
拓展可見光利用率、增強光催化劑對大氣中低濃度目標污染物的吸附能力、提高光生電子-空穴的分離效率、加快表面活性氧物種生成速率是提高光催化降解反應速度的關鍵，納米光催化材料表面的空位結構構筑可兼顧以上四個方面。該研究首次利用單體三聚氰胺自模板法制備出棒狀的N空位修飾的多孔g-C3N4，其光催化氧化去除NO的效率、反應速率相比常規方法制備的g-C3N4分別提升1.8倍、2.6倍。研究表明，性能增強主要是因為N空位能有效地吸附-活化O2和NO分子、提高光生電子-空穴的分離效率（圖1）。
該團隊還在Bi2O2-xCO3納米片表面氧空位處，原位還原負載了具有等離子效應的單質Bi納米顆粒。通過Bi2O2-xCO3的表面缺陷態捕獲電子，活化吸附于氧空位上O2進而轉化為H2O2，而H2O2又可促進NO2向硝酸根離子的轉化過程。活性測試結果也證實，該光催化劑在可見光輻照30min后對NO去除效率高達50.5%。
通過一步水熱法將氮摻雜碳量子點（NCDs）原位沉積在羥基錫酸鋅（ZnSn(OH)6）空心立方體表面，該團隊巧妙構筑出Z-型異質結，其獨特的光生載流子傳輸機制不僅提高了電子和空穴的有效質量，更加速了表面分子氧的活化，使三元納米復合物氧化還原能力最大化，顯著提高了可見-近紅外光輻照下NO去除效率和NO2選擇性催化。開發出的高效光催化納米涂層技術，解決了g-C3N4粉體材料難以成膜的技術難題，也為低溫TiO2基納米光催化涂層的制備及負載提供新思路，具有廣闊應用前景。
以上研究為構建高活性及高NO選擇性的納米光催化空氣凈化材料提供了一種有效的表面空位修飾策略，得到了國家重點研發計劃“納米科技重點專項”、國家自然科學基金等資助。
圖1. N空位修飾的g-C3N4形貌結構及光催化去除NOx機理示意圖
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