构建了一种Z-结构S掺杂的g-C?N?/Zn?In?S?/苏铁花衍生碳点异质结,用于实现高效且稳定的光催化性能

《Inorganic Chemistry Communications》:Construction of a Z-scheme S-doped g-C 3N 4/Zn 3In 2S 6/Sophora flower-derived carbon dots heterojunction for highly efficient and stable photocatalytic

【字体: 时间:2026年02月28日 来源:Inorganic Chemistry Communications 5.4

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  本研究通过水热法制备了S掺杂g-C3N4/Zn3In2S6/碳点 ternary异质结构催化剂,其在可见光下表现出高效的RhB(99.2% within 50 min)和Cr(VI)(99.5% within 10 min)降解性能,并通过表征证实协同效应显著提升电荷分离效率(8.3倍于单一组分)。实验验证了该催化剂在复杂废水体系中的优异稳定性和多污染物协同降解能力。

  
赵亚楠|孙世宇|罗玉婷|徐进|张雅倩|李文泽|秦高武|严东茂
沈阳化工大学理学院,中国沈阳 110142

摘要

光催化降解是一种环保且高效的处理废水的方法;然而,多种污染物之间的协同作用可能会阻碍修复效果。在本研究中,通过水热法制备了S掺杂的g-C3N4/Zn3In2S6/槐花衍生物碳点(SCN/ZIS/CDs)三元复合材料。与单组分系统相比,该光催化剂在可见光吸收能力和电荷分离效率方面表现出显著提升。制备的复合材料具有优异的光催化活性,在可见光照射下50分钟内可降解99.2%的罗丹明B(RhB),并在10分钟内几乎完全还原Cr(VI)(99.5%)。SCN/ZIS/CDs-ii的降解速率常数是S掺杂g-C3N4(SCN)的8.3倍,是S掺杂g-C3N4/Zn3In2S6(SCN/ZIS)的1.7倍,表明存在显著的协同效应。SCN/ZIS/CDs-ii在连续处理多种污染物的四个循环中仍保持优异的稳定性。此外,自由基清除实验确认超氧阴离子(·O2?)和羟基自由基(·OH)是驱动光催化降解的主要活性物种。这些结果表明,由于其卓越的性能和环境兼容性,SCN/ZIS/CDs是未来光催化应用的理想候选材料。

引言

现代工业化导致了日益严重的环境污染,严重损害了空气、水和土壤的质量。这种持续的环境退化对公共健康构成重大威胁,并削弱了自然生态系统的稳定性和韧性[1],[2],[3],[4],[5]。吸附、电化学过程和光催化已被广泛用于去除废水中的有机污染物和重金属[6]。其中,光催化因其环境友好性和高降解效率而成为一种特别有前景的技术,为环境修复提供了可持续的方法。迄今为止,大量研究集中在提高半导体光催化剂的可见光吸收能力和改善电荷载流子分离上,这是决定光催化性能的两个关键因素[7],[8],[9]。尽管取得了显著进展,但开发高效可见光驱动的光催化剂仍具有挑战性。
最近,由地球丰富元素组成的聚合物g-C3N4光催化剂因其合适的带隙(约2.7 eV)、低成本以及良好的热稳定性和化学稳定性而受到广泛关注。然而,快速的电荷复合和低电导率仍然限制了g-C3N43N4的光吸收能力和电荷载流子分离,人们采用了多种方法,包括元素掺杂、纳米结构工程和构建基于g-C3N4的异质结构[10],[11],[12],[13]。Zn3In2S6(ZIS)是一种具有合适带结构和良好光吸收能力的有前景的可见光响应型三元金属硫化物光催化剂。然而,快速的电荷复合和颗粒聚集限制了其独立性能。目前的努力集中在异质结构构建、缺陷工程和形态控制上,这些措施显著提高了Zn3In2S6基材料在氢生产、CO2还原、污染物降解和光催化合成方面的性能[14],[15],[16],[17]。在我们之前的研究中,由纳米片组装的类似花朵的ZIS结构显示出强烈的能量吸收和有效的染料降解能力,但循环稳定性较差。
碳点(CDs)是一类源自丰富且可持续来源的新型纳米材料,自2004年以来受到广泛关注。其扩展的光吸收能力、增强的电子转移和改善的材料稳定性使得基于CDs的复合材料在能量转换和环境净化领域具有广泛的应用前景[18],[19],[20]。近年来,将CDs与各种半导体基底结合已成为提高光催化材料效率和稳定性的有效策略。例如,改性的TiO2、g-C3N4、ZnO等成熟光催化剂在氢生成、有机污染物降解和CO2还原为高价值燃料等关键应用中表现出显著的性能提升[21],[22],[23],[24]。这种提升归因于复合材料的制备过程,在此过程中CDs表面的羟基和羧基作为成核位点,与半导体基底形成牢固的界面键。
在本研究中,我们成功制备了一种异质结构复合材料S掺杂g-C3N4/Zn3In2S6/碳点(SCN/ZIS/CDs),通过在S-g-C3N4纳米片上生长三维花朵状的Zn3In2S6和槐花衍生物CDs实现了紧密接触的界面。该复合材料在同时去除多种污染物(RhB和Cr(IV))方面表现出高效性能。SCN/ZIS/CDs异质结复合材料在化学组成、形态、物理化学性质和光电性能方面进行了系统表征。在RhB和Cr(VI)共存条件下评估了光催化剂的效率和化学稳定性,并系统研究了其反应机制。此外,还考虑了实际废水系统的复杂性,考察了pH值、有机化合物和无机物质对光催化活性的影响。SCN/ZIS/CDs异质结光催化剂为在可见光下同时去除多种污染物提供了一种优雅且高效的解决方案,兼具成本效益和出色的光催化性能。

部分内容摘要

S掺杂g-C3N4/In2O3/In2S3(SCN/ZIS/CDs)的合成

S掺杂g-C3N4:g-C3N4是通过在大气压下热分解尿素制备的。典型步骤是将2克尿素放入带盖的坩埚中,在550°C下退火2小时。所得到的浅黄色粉末用无水乙醇和去离子水洗涤三次,并在70°C下干燥至少10小时。之后,将0.1克g-C3N4超声分散在30毫升去离子水中。随后加入TAA...

表征结果

使用X射线衍射(XRD)分析了合成光催化剂的晶体结构。如图1a所示,所有对应于SCN/ZIS和SCN/ZIS/CDs-xx = i,ii,iii,iv)的衍射峰均可准确归属于Zn3In2S6的六方相(JCPDS No. 24–1453),表明目标晶体相已成功形成。S掺杂g-C3N4(SCN)的XRD图谱在27.5°和13.2°处显示出明显的峰,这些峰与...

结论

总之,成功合成了三元异质光催化剂SCN/ZIS/CDs。该复合材料具有显著拓宽的可见光吸收范围,并能精确调控光生电荷载流子的传输。它表现出优异的光催化效率,在50分钟内可降解99.2%的RhB,在10分钟内几乎完全还原Cr(VI)。多结结构促进了...

CRediT作者贡献声明

赵亚楠:撰写 – 审稿与编辑,数据分析。孙世宇:撰写 – 初稿,实验研究。罗玉婷:实验研究。徐进:实验研究。张雅倩:资源准备。李文泽:方法学研究。秦高武:方法学研究。严东茂:项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了辽宁省教育厅(JYTMS20231512)和辽宁省科技厅(2025-BS-0434)的资助。
赵亚楠于2013年在韩国全南大学科学系获得化学博士学位。她目前担任沈阳化工大学的副教授,主要从事储能和环境应用先进材料及催化剂的研究。最近,她致力于将微化学工程技术引入材料制备和光电催化应用领域。
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