《Sustain. Energy Fuels》 温和条件下缺陷态ZnGa₂O₄纳米片促进SF₆光转化性能

Shan Zhu, Yue Zhao, Fengxiang Ma, Yue Yin, Weijia Shi, Feng Zhu, Wenya Fan, Peijin Du,^* Jinyu Ding^*

六氟化硫（SF₆）是一种无色、无味、不可燃的惰性气体，分子量为146.07。它具有出色的电气特性，这使其适用于电气和电子设备、科学领域、工业过程和商业产品中的各种特殊应用。自20世纪70年代中期以来，SF₆已被广泛用于各种应用中，包括作为电气和电子系统中的气体电介质，如断路器、高压同轴线、气体绝缘变电站和变压器。它也用作半导体制造过程中的蚀刻气体，以及铝和镁等轻金属铸造过程中的覆盖/脱气气体。此外，它在各种科学研究中充当示踪剂，帮助分析空气和地下水流动模式，检测地下管道泄漏，并研究空气污染物在大气中的扩散。然而，必须指出的是，SF₆是一种强效温室气体，具有高放射性和低水溶性。一旦释放到环境中，SF₆可以在大气中持续很长一段时间。SF₆的寿命极长，约为3000年，相对于二氧化碳而言，100年的全球升温潜能值高达2万，这表明它对气候变化有重大影响。因此，开发一种处理自然界中SF₆的方法是必要的。

在过去十年中，SF₆主要通过吸附、分离和分解等方法进行降解或回收。由于SF₆的化学惰性，其选择性降解极具挑战性。分解方法通常需要苛刻的条件，如高温和高压，才能有效分解SF₆。许多研究探索了SF₆在与等离子体蚀刻相关的放电中或通过聚异戊二烯表面的光解反应的热和光还原分解。SF₆的这些热和光还原分解方法产生的副产物大部分是气体形式，具有毒性和腐蚀性。迄今为止，SF₆的催化分解主要通过非均相反应实现，主要使用金属磷酸盐。然而，这些反应需要超过800 K的温度，并产生SO₃、SO₂F₂和HF等主要产物，这将造成大量能源浪费。因此，目前的重点是开发在温和条件下选择性降解SF₆的替代方法。

在此，作者设计了完美和有缺陷的尖晶石纳米片来研究缺陷位置如何影响SF₆光转换特性。通过ESR光谱和XPS光谱验证了ZnGa₂O₄纳米片中氧空位的存在。PL光谱和时间分辨荧光发射衰减光谱均表明氧空位的引入导致载流子分离效率的提高。此外，紫外-可见漫反射光谱表明，氧空位的存在显著增强了250至800nm范围内的光吸收。¹⁹F NMR光谱表明在乙腈溶液中，这两个样品都实现了SF₆光转化，形成了氟化氰和（Z）-1-氟丙烯-1-烯。更为重要的是，与ZnGa₂O₄纳米片相比，缺陷态ZnGa₂O₄纳米片表现出优异的SF₆光转换性能。简而言之，这项工作有效地证明了引入的氧空位具有改善光吸收和促进载流子有效分离的能力，为实现高性能SF₆光转换提供了新的视角。

本工作发表在《Sustainable Energy & Fuels》上。

图1：缺陷ZnGa₂O₄纳米片上SF₆光还原过程的机理示意图，其中缺陷有助于扩大光吸收，加速载流子分离过程。