综述：在利用硫属化合物材料高效去除废水中的污染物方面取得了新的进展

《Inorganic Chemistry Communications》：Emerging progress in harnessing chalcogenide materials for efficient elimination of contaminants from wastewater

硫属化合物因其可调带隙、活性表面及环境友好性，在废水处理中展现吸附与光催化降解污染物潜力，但存在毒性、规模化生产及长期稳定性问题。未来需通过复合材料、绿色合成及循环经济原则突破瓶颈。

　　

Ankit Verma

印度喜马偕尔邦ICFAI大学科学与技术学院

摘要

硫属化合物因其独特的电子结构、可调的带隙和活跃的表面而成为水处理的理想材料。本文介绍了硫属化合物的基本原理、结构及其功能特性，并探讨了多种制备技术，包括球磨法、化学气相沉积法、溶热/水热合成法、共沉淀法以及模板导向法。在最近十年（2015–2025年）中，人们在硫属化合物的组成和形貌调控方面做出了大量努力，以提高其去除污染物的性能。这些化合物主要通过吸附和光催化机制去除染料、药物、农药和重金属离子，这两种方法被认为是环保的。文章讨论了污染物与材料之间的相互作用，以更好地理解如何提升其处理效果。然而，硫属化合物在工业应用中仍存在一些瓶颈，如毒性、可扩展性和长期稳定性问题。未来，需要将硫属化合物与其他系统结合，采用绿色合成方法，并遵循循环经济原则。因此，本文旨在总结现有研究，推动基于硫属化合物的新材料的发展，以实现实用且可持续的水处理技术。

引言

水是生命的基本组成部分，对维持生命和生态平衡至关重要。然而，其重要性远不止于日常用途；它还影响着公共卫生、工业、农业和能源生产[1]。尽管水资源普遍存在，但全球正面临前所未有的水资源危机。预测显示，到2050年，全球用水需求将超过可用供应量[2]。这场危机中最严重的问题之一是水污染和水生生态系统破坏。污染物如重金属、农药和合成染料会渗入河流、湖泊和地下水，对人类健康和生物多样性造成严重威胁[1]。大多数这类物质无法通过自然过程被降解，因此会在环境中长期存在，进一步污染新的水资源，使水污染成为一个全球性问题而非局部问题[3]。有机污染物尤其危险，因为它们在食品、制药和纺织行业中被广泛使用。据估计，每年有超过5万吨此类污染物被排放，其中约80%未经处理[4]。这些化合物会改变水体的化学和物理性质，干扰光合作用，降低溶解氧含量，在某些情况下还具有致癌或致突变性，危及生物系统。已经开发出多种物理、化学和生物处理技术（如电化学氧化、生物过滤、膜过滤和混凝）来应对这些问题[5][6]，但这些方法仍受高运行成本和二次废物管理的限制。其他化学处理方法（如氯化法和臭氧法）也因产生有毒副产物而受到限制。相比之下，吸附和光催化降解因具有环境友好性、可重复性和高效去除持久性污染物的能力而成为有前景的替代方案。吸附技术因其易于使用、成本低廉且高效而备受重视[7][8][9]。尽管如此，关于吸附剂再生及其重复使用后的性能下降问题仍有许多研究，这促使人们开发了各种类型的吸附剂，如活性炭、沸石、壳聚糖、木质纤维素化合物、纳米复合材料和微结构吸附剂。光催化降解利用太阳能分解有机污染物，且不会产生二次废物[10][11]。许多材料（如ZnO、CdS、WO₃、g-C₃N₄和改性TiO₂）因其光催化性能而被广泛研究。近年来，基于硫属化合物的材料（由硫属元素（S、Te、Se）与金属或半金属结合而成[12][13]引起了广泛关注，因为它们具有可调的电子结构、多样的形态以及独特的光电和催化性能[14]。尤其是硫，由于其丰富的资源和低成本，成为研究的热点，适用于大规模应用，如钠硫电池、钾硫电池和钾硒电池[15][16]。其他硫属元素（如氧和钋）则分别具有高电负性和放射性。硫属化合物在环境技术中表现出巨大价值，因其可调的带隙、宽光谱吸收、高效的电荷传输能力以及优异的稳定性[18]。它们的窄带隙使其可作为活性可见光半导体，其在降解水污染物方面的有效性正是这一特性的体现。除了光催化应用外，硫属化合物还能作为敏感传感器，将环境变化转化为可量化的电信号，从而监测水质[19]。它们在中和多种污染物（包括危险化学品、微生物和毒素）方面也表现出优异性能[18]。除了水处理，硫属化合物还在可再生能源和储能系统中得到广泛应用，以及二氧化碳还原和太阳能驱动的氢气生产等过程中发挥作用，凸显了其在环境和能源领域的多功能性和重要性[20]。

近期在水处理领域的突破重新激发了对硫属化合物的兴趣，因为它们能够控制带结构、调节表面化学性质并高效吸收光。尽管进展迅速，但该领域的研究仍较为分散，重点在于材料设计、机理解释和应用方法。一些综述文章试图整合这些进展，例如Alfrad等人从吸附性能、带边控制能力和环境应用中的催化速率等方面进行了综合分析，特别关注硒化物和碲化物，并讨论了毒性、可扩展性和实际应用问题[18]。类似地，Akintayo等人总结了硫属化合物的合成和设计进展，特别是层状和混合系统在提高光催化活性方面的作用，同时也讨论了相关问题[21]。然而，这些综述更多关注性能与设计和优化的关系，而没有全面探讨结构、合成和性质与水处理应用之间的具体联系。

本文从应用角度出发，介绍了硫属化合物在去除水中污染物方面的应用。它详细阐述了硫属化合物的基本概念、晶体结构和合成方法，并将其与去除污染物的效率直接联系起来。文章回顾了2015至2025年间在修改硫属化合物组成、形貌和功能组分方面的研究，以去除染料、药物、农药和重金属。此外，本文还全面介绍了材料表征方法，这些内容在以往的研究中较少被关注，有助于深入理解结构与性能之间的关系。通过强调吸附和光催化作为可持续且灵活的水处理策略的作用，并明确当前挑战和未来发展方向，本文为硫属化合物从实验室研究向可扩展和环保的水处理技术的转化提供了清晰的路径。

硫属化合物的基础知识

硫属化合物是由周期表第16族元素（如硫、硒、碲、钋）与其他电正性元素（如银）形成的化合物。较轻的硫属元素（S、Se、Te）通常与结构与相关氧化物、氮化物或氟化物截然不同的金属形成二元化合物，这反映了它们较强的共价性质。例如，一些金属氧化物具有岩盐结构

结构和功能单元

通常，硫属化合物与电正性元素合金化，形成具有优异性能的硫属玻璃。常用的元素包括砷（As）、锗（Ge）、铝（Al）、磷（P）、锑（Sb）、镓（Ga）、铋（Bi）、铅（Pb）、硅（Si）、锡（Sn）、银（Ag）和镧（La）[30]。

在大多数情况下，硫属化合物的合成依赖于其各向异性的生长倾向或通过辅助手段实现形貌控制

合成方法

开发具有特定应用特性的硫属化合物较为困难，因为前体化学品本身不稳定。此外，金属-硫属化合物复合物的配位、聚合和缩合过程非常复杂，这些因素常常限制了对形貌和功能特性的控制。

用于去除废水污染物的硫属化合物

有机污染物的降解是近年来环境保护领域的一个共同关注点，因此受到了研究人员的广泛关注。例如，许多硫属化合物（II–VI和IV–VI族）的带隙范围从可见光区域（如CdTe、CdS、CdSe）延伸到紫外区域（ZnSe、ZnS）和近红外区域（PbTe、PbS、PbSe）[21]。由于它们的带隙覆盖了太阳光谱的多个范围，

硫属化合物用于去除污染物的机制

近年来，开发了多种废水处理技术，如混凝、超滤和共沉淀等物理化学过程。其中，吸附和光催化技术因简单、环保和成本效益而受到重视，适用于实际和工业规模的应用[109][110]。

用于分析硫属化合物的关键表征技术

了解硫属化合物的结构、光学、热学、成分和形态特性至关重要，因为这些特性直接影响其在环境和催化应用中的性能[113]。通常，结合表面敏感方法、光谱方法、热学方法和显微方法可以全面了解这些材料的物理化学性质，如图18所示[114]。

挑战与未来展望

硫属化合物在工程和材料科学领域具有巨大潜力，尤其在环境应用方面前景广阔。然而，它们存在一些严重阻碍实际应用的缺点：它们不稳定且易与氧气反应，导致在某些环境中的性能下降。硫的不同形态也会影响其结构和性质。由于这种反应倾向，纯硫属化合物难以实现广泛应用

结论

在过去十年中，硫属化合物在清洁受污染的水方面发挥了重要作用。它们多功能且适用于多种环境场景。凭借特殊的电子结构、可调的带隙和表面高活性，它们能够去除多种污染物，如染料、药物、农药和重金属。研究人员通过改进吸附、光催化和联合处理方法取得了显著进展

CRediT作者贡献声明

Ankit Verma：撰写综述与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、方法学研究、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

Ankit Verma是印度喜马偕尔邦ICFAI大学的化学助理教授。他在印度喜马偕尔邦的Shoolini大学获得化学博士学位，并在材料合成、表征技术和环境化学领域积累了丰富经验。他的研究成果获得了国际认可，并被列入斯坦福-爱思唯尔全球顶尖科学家排名前2%的名单（2025年）。Verma博士已发表38篇研究论文