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Advanced Materials：西北农林科技大学食品科学与工程学院食品快速检测团队揭示仿生树叶

2021-10-21作者：来源：西北农林科技大学责任编辑：食品界字体A+AA-

近日，西北农林科技大学食品科学与工程学院食品快速检测团队在Advanced Materials在线发表了题为“A Conductive Network and Dipole Field for Harnessing Photogenerated Charge Kinetics”的研究论文。论文第一作者为食品科学与工程学院硕士研究生刘兆利，通讯作者为王建龙教授。

自然界中的所有动物和植物都具有类似的网格状等级结构，比如树叶的叶脉、昆虫呼吸道、动物的血管系统等等，这些结构的存在不仅仅是为了保证自身结构的稳定，同时还确保了生命体在进行新陈代谢与物质能量传递过程中能量和物质的最优传输效率。当液体从一个比较粗的管道流进一个比较细的管道时，液体的流速会增加，同时细管所受的液体压力相对于粗管所承受的压力来说也更大。但是通过对叶脉系统进行观察可以发现不管是粗的叶脉还是细的叶脉，所受的压力都不会太大。这是因为叶脉网络是由多级分支的叶脉管道组成的，这就是著名的默里定律（Murray’s Law）。

该项研究揭示了光催化降解高毒性Cr(VI)的新机制。王建龙团队通过向自然界学习物质运输的最优化法则——默里定律（Murray’s Law），提出了合理设计导电网络结构实现快速电荷传输的策略，不仅大幅度提高了光生电荷传输效率，还成功地诱导了光生电子跨过界面定向迁移至MXene纳米片上用于光催化降解高毒性Cr(VI)。铬的毒性与其存在的价态有关，Cr(III)是对人体有益的元素，而Cr(VI)是有毒的。Cr(VI)对人主要是慢性毒害，它可以通过消化道、呼吸道、皮肤和粘膜侵入人体，在体内主要积聚在肝、肾和内分泌腺中。在这项研究中，利用光催化手段成功地将水中的Cr(VI)还原为Cr(III)，相较于TiO₂纳米颗粒，Ti₃C₂/TiO₂ network表现出更快的六价铬光还原反应动力学速率常数（11.76倍的提升）。

相关研究得到该校农产品加工与营养健康学科群的资助。

摘要原文

A Conductive Network and Dipole Field for Harnessing Photogenerated Charge Kinetics

Zhaoli Liu,Cui Zhang,Lizhi Liu,Tianshu Zhang,Jing Wang,Rong Wang,Ting Du,Chengyuan Yang,Liang Zhang,Linxuan Xie,Wenxin Zhu,Tianli Yue,Jianlong Wang

Abstract
Photogenerated charge separation and directional transfer to active sites are pivotal steps in photocatalysis, which limit the efficiency of redox reactions. Here, a conductive network and dipole field are employed to harness photogenerated charge kinetics by using a Ti₃C₂/TiO₂ network (TTN). The TTN exhibits a prolonged charge-carrier lifetime (1.026 ns) and an 11.76-fold increase in hexavalent chromium photoreduction reaction kinetics compared to TiO₂ nanoparticles (TiO₂ NPs). This super photocatalytic performance is derived from the efficient photogenerated charge kinetics, which is steered by the conductive network and dipole field. The conductivity enhancement of the TiO₂ network is achieved by continuous chemical bonds, which promotes electron–hole (e–h) separation. In addition, at the interface of Ti₃C₂ and TiO₂, band bending induced by the dipole field promotes photogenerated electron spatially directed transfer to the catalytic sites on Ti₃C₂. This study demonstrates that a conductive network and dipole field offer a new concept to harness charge kinetics for photocatalysis.