建造环境（BERL）课题组在中科院一区期刊《Building and Environment》(JCR Q1,IF = 7.1) 上发表了最新研究成果：具有异质结结构的新型AC@g-C₃N₄/MnO_x材料，用以高效去除建筑环境中的低浓度乙醛。

一、题目：

Constructing Z-scheme heterojunction of AC@g-C₃N₄/MnO_x for effective removal of acetaldehyde in building environment

该研究获得“十四五”国家重点研发计划资助（No.2023YFC3708400）

二、作者：

Ziding Bai (白梓丁，共一), Chenhua Wang (王晨华，共一), Jingjing Pei (裴晶晶，通讯作者), Jing He (何晶), Junjie Liu (刘俊杰)

三、研究亮点：

1. 提出了一种具有 Z 型异质结结构的AC@g-C₃N₄/MnO_x光催化剂，用于高效去除乙醛。

2. 提出了AC@g-C₃N₄/MnO_x的吸附-光催化协同作用机制。

3. AC@g-C₃N₄/MnO_x材料具有使用寿命长、无副产物以及化学性质稳定等优点。

四、概述：

乙醛是室内异味污染的关键性气味物质，且世界卫生组织（WHO）报告称，乙醛为一类致癌物，这表明乙醛兼具气味滋扰与健康隐患。

而现有的净化材料存在弊端（吸附材料寿命短、光催化选择性低），无法实现醛类连续靶向净化。为了提升对于乙醛的选择性净化效率，采用了吸附与光催化协同净化的方式。 本研究设计了AC@g-C₃N₄/MnO_x(PA）复合材料（简称ACNMO）进行吸附光催化协同氧化以去除室内乙醛。根据乙醛亲水性的特点和超氧自由基易去除的特质，选取了高碘酸增强亲水性与氧化性。选取AC@g-C₃N₄/MnO_x构建异质结用以更多生成超氧自由基，促进乙醛净化效率的提升。

由于Z型异质结机制，光激发电子具有更强的还原性能，从而显著提高了乙醛去除效果。从长期性能来看，AC@g-C₃N₄/MnO_x(PA)在连续净化24小时后，乙醛去除率仍接近90.5%。光催化反应过程中副产物没有显著增加，样品的特征峰在反应后几乎不变。此外，ACNMO材料在实际气味去除方面表现出最佳效果，无论是主观气味感知还是客观挥发性有机物浓度降低。结果表明，新型AC@g-C₃N₄/MnO_x(PA)材料用于去除气态乙醛具有长寿命、无副产物和化学性质稳定的优点。本研究为低浓度乙醛的选择性去除提供了一条新途径。

五、主要结果：

Fig. 1 (a) XRD patterns of the g-C₃N₄, AC, MnO_x, g-C₃N₄/MnO_x, AC@g-C₃N₄/MnO_x (PA). (b) XRD patterns of the g-C₃N₄/MnO_x, AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x, AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x(PA), AC_20%@g-C₃N₄/MnO_x(PA), AC_5%@ g-C₃N₄/MnO_x(PA). (c) FT-IR spectra of g-C₃N₄, AC, MnO_x, AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x and AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x (PA). SEM images of (d) AC, (e) layered g-C₃N₄, (f) AC@g-C₃N₄/MnO_x (PA).

图1通过XRD、FT-IR和SEM图像展示了ACNMO复合材料的结构特征。XRD图谱（图1a）显示，纯g-C₃N₄表现出层状堆叠结构。随着AC的引入（图1b），抑制了g-C₃N₄的层间堆积，扩大了层间距，从而增加了活性位点。SEM图像（图1d-f）直观显示，AC的多孔结构为g-C₃N₄和MnOₓ提供了均匀负载的平台。结合FT-IR表征也共同验证了AC@g-C₃N₄/MnOₓ的合成成功。

Fig. 2 HRTEM image of ACNMO

图2通过HRTEM图像揭示了ACNMO的微观结构与异质结形成机制。异质结界面如图 2c 中的虚线所示，MnOx和g-C₃N₄的接触非常紧密，这种紧密接触界面会促使异质结的形成并促进电子转移。

Fig. 3 XPS plots of ACNMO, AC and g-C₃N₄.

图3通过XPS分析了ACNMO的表面化学状态及催化活性来源。Mn 2p谱图（图3a）显示，复合物中Mn³⁺/Mn⁴⁺比例为5.06，混合价锰的存在已被证明有助于通过改善充电和放电过程中的电荷转移来提高光催化剂的电导率。O 1s谱（图3h）显示表面吸附氧（Oads）占比显著增加，这些Oads可快速补充晶格氧（Olatt）的消耗。通过调控AC含量（图S4），ACNMO的氧空位含量和电荷传输效率达到最优，为其高催化活性提供了化学基础。

Fig. 4 (a) UV–vis DRS; (b) (ahν)² versus hν curve; (c) EIS spectra; (d) photocurrent responses; (e) 1% and (f) 100% light intensity excitation of g-C₃N₄ and AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x (PA).

图4系统研究了ACNMO的光吸收、带隙及电荷分离特性。UV-Vis DRS（图4a）显示，ACNMO在可见光区的吸收显著增强，带隙由纯g-C₃N₄的2.38 eV降至2.11 eV（图4b），拓宽了光响应范围。电化学阻抗谱（图4c）中，ACNMO的圆弧半径远小于g-C₃N₄，表明其电荷转移电阻降低，导电性提升。光电流响应测试（图4d）进一步显示，ACNMO的光电流密度更优，证实了Z型异质结的高效电荷分离能力。PL光谱（图4e-f）反映了ACNMO电子-空穴复合率的大幅下降。这些数据共同表明，AC的引入不仅作为电子中介促进了界面电荷转移，还通过调控能带结构优化了光生载流子的利用率。

Fig. 5 (a) Acetaldehyde removal performance of different component ratios. (b) Long-term stability of AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x (PA).

图5通过三组实验揭示了ACNMO性能的优化路径。在组分对比实验（图5a）中，AC@g-C₃N₄/MnOₓ（PA）的乙醛去除率（91.9%）显著高于纯g-C₃N₄（49%），证明异质结的协同效应。AC含量优化实验（图5b）显示，当AC占比为12.5%时，去除效率达到峰值（91%）。长期稳定性测试（图5c）中，ACNMO在24小时连续运行后乙醛去除效率仍高于 91%。相比之下，在黑暗条件下，乙醛去除效率在 7 h 内为 27% 至 38%，运行19 h后，乙醛去除效率下降到1%，表明光催化剂接近吸附饱和。协同吸附-光催化去除乙醛比单独吸附更有效，并且 AC@g-C3N4/MnOx （PA） 独特的吸附-光催化双功能结构可以实现乙醛的长期去除。

Fig. 6 (a) Concentration of aldehydes and ketones during the reaction. (b) FTIR spectra of AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x (PA) before and after reaction.

图6通过HPLC和FTIR评估了ACNMO的反应稳定性。HPLC检测（图6a）显示，反应过程中下游的甲醛、丙酮等醛酮类化合物浓度未显著升高（均低于检测限），避免了二次污染。FTIR光谱（图6b）对比反应前后的材料发现，表面氧物种参与了氧化反应，且材料化学结构未受破坏。SEM图像（图S9）进一步显示，反应后材料形貌未发生明显变化，排除了中间产物堵塞孔道的可能性。这些结果共同证明了ACNMO在实际应用中的环境友好性与长效稳定性。

Fig. 7 Possible mechanism for AC_12.5%@g-C₃N₄/MnO_x(PA) photocatalyst under UV-light irradiation.

图7阐明了ACNMO的吸附-光催化协同机制。在光照下，g-C₃N₄的导带电子与MnOₓ的价带空穴通过AC复合，保留了MnOₓ的强还原性电子（生成·O₂⁻）和g-C₃N₄的强氧化性空穴（氧化乙醛）。基于自由基捕获实验 （补充材料的图 S17）证实，·O₂⁻对乙醛降解的贡献率达67%，而羟基自由基（·OH）作用较弱。反应路径分为五步：乙醛分子通过AC的微孔吸附富集→迁移至g-C₃N₄/MnOₓ界面→被·O₂⁻攻击断裂C-C键→逐步氧化为CO₂→产物脱附。该机制不仅实现了污染物的高效降解，还通过AC的吸附缓冲作用避免了活性位点的瞬时过载，从而保障了长效运行。

本文引用格式： Z. Bai, C. Wang, J. Pei, J. He, J. Liu, Constructing Z-scheme heterojunction of AC@ g-C₃N₄/MnO_x for effective removal of acetaldehyde in building environment, Build. Environ. (2025) 113137.

稿件编辑：白梓丁

审核人：裴晶晶

田媛

于欣宇