用于减少粘性流体残留的抗粘附涂层：一项实验与分子动力学模拟研究

《Applied Surface Science》：Antiadhesion coatings for reducing residue of viscous fluids: An experimental and molecular dynamics simulation study

通过NH4+插层辅助水热法合成具有可控1T/2H相比例的MoS2纳米片，1T/2H-MoS2（1T:80%）界面内置电场与压电电势协同作用，显著提升磺胺甲噁唑降解效率达1.53倍，机理源于高效界面电荷转移增强活性氧物种生成。

　　

作者：Shuyun Tai、Yuxin Wang、Wanqi Wu、ZeJia Ju、Yu Chen、Hong Chang

单位：北京林业大学环境科学与工程学院，水污染源控制技术重点实验室，中国北京 100083

摘要

二硫化钼（MoS₂）是一种典型的二维过渡金属硫属化合物（TMD），具有较高的压电性能。本研究旨在探讨通过相工程化界面异质结在压电催化中的作用。采用NH₄⁺插层辅助的水热法制备了一系列具有可控1T/2H相比例的MoS₂纳米片。优化后的1T/2H-MoS₂（1T: 80%）异质结构表现出稳定的肖特基结特性；在此结构中，界面内建电场与超声辐照下2H相区域产生的压电势协同作用，从而有效促进电荷分离，显著抑制了载流子复合。结果表明，1T/2H-MoS₂（1T: 80%）对磺胺甲噁唑（SMX）的降解效率分别比1T富集型和2H-MoS₂高1.53倍和1.42倍。系统机制分析表明，这种增强活性归因于活性氧物种（·OH、¹O₂、·O₂^–）的生成增强，而这得益于高效的界面电荷传输动力学。本文从晶体结构角度研究了MoS₂的压电效应，为利用层状过渡金属硫属化合物（TMDs）进行环境净化和能量转换提供了新的见解。

引言

压电催化是一种新兴的高级氧化工艺（AOP），它利用压电表面的机械振动生成高氧化性物质[1]、[2]。该过程依赖于机械应力下的压电极化产生的内建电场，从而精确调控载流子动态[3]。由此产生的活性氧物种（ROS）能够高效降解水中的难降解有机污染物[4]。值得注意的是，二维过渡金属硫化物由于具有高变形性和优异的应变耐受性，成为高性能压电催化剂，其压电势更强，接触界面更大，催化位点密度高，且具有弹性稳定性[5]、[6]、[7]、[8]。

作为代表性的二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMD），二硫化钼（MoS₂）的压电催化性能从根本上取决于其晶体结构[9]、[10]、[11]。MoS₂的不同晶相（1T、2H和3R）由于对称性、电子结构和热力学稳定性的差异，表现出不同的压电响应[12]、[13]、[14]、[15]。通过工程化MoS₂基异质结的界面电子结构，可以有效增强电荷分离，从而提高催化性能[16]、[17]。例如，MoS₂/WSe₂范德华异质结（Wang等人）和O-MoS₂/CNT复合材料（Liu等人）利用极化诱导的内建电场维持电荷分离，改善光电或压电性能[18]、[19]。然而，这些体相结构以及2H-MoS₂晶格在机械应力下容易发生晶格滑移，导致结构退化和活性下降。为解决这一问题，通过共价键稳定的平面内异质结（如TMSs-MoS₂、CoS₂-MoS₂）可以减轻晶格畸变，在氢演化及压电水净化方面表现出优异性能，但掺杂金属/支撑的2H-MoS₂系统在循环加载过程中因界面金属原子渗出而不稳定，严重阻碍了实际应用[20]、[21]。

最近关于相工程化MoS₂在压电催化方面的研究进展表明，1T/2H体系的性能提升主要归因于1T相的高导电性、缺陷化学性质或应变诱导的电荷重分布[22]、[23]。然而，平面内异质结中1T/2H相之间的协同作用尚未得到充分探索，现有文献通常仅限于金属导体和压电半导体的简单物理混合[24]、[25]。具体而言，金属-半导体界面电子结构（由费米能级对齐控制）与随后形成的局域内建电场之间的相互作用如何协同调节载流子分离动力学和整体压电催化效率，目前仍不甚明了，这严重阻碍了高性能压电催化剂在实际环境应用中的合理设计[26]、[27]、[28]。

本文报道了一种通过调节Mo/S前体比例并采用可控的NH₄⁺插层辅助水热法制备的1T-MoS₂（金属相）和2H-MoS₂（半导体相）异质结。该设计利用了两种相之间的晶格兼容性，形成了刚性的共价Mo-S-Mo界面，有效抑制了机械变形下的晶格滑移和相分离。1T相向2H相注入内部电场，增强了压电电荷迁移，而2H相保持了有利于高效电荷分离的半导体特性。此外，通过构建金属-半导体结，我们阐明了界面内建电场如何在应力作用下与2H相的压电势协同作用，形成了高效的电荷分离通道。实验结果表明，1T/2H-MoS₂（1T: 80%）对磺胺甲噁唑（SMX）的降解活性显著增强。本研究系统探讨了SMX的降解机制、降解路径及生态毒性评估。这些发现为基于界面物理特性的2D TMD基压电催化剂设计提供了新的、基础性的视角，有助于实现更有效的环境净化。

多态MoS₂纳米片的制备

多态MoS₂纳米片是通过铵离子插层法制备的。将四水合钼酸铵[(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O]和硫脲（CH₄N₂S》分别作为钼源和硫源加入烧杯中，并与35 mL蒸馏水混合。混合物经过超声处理后转移到50 mL聚四氟乙烯反应器中，然后在200°C的烘箱中保温24小时。

结构表征

制备的MoS₂样品的形态和结构通过SEM和HRTEM进行了表征。如图S1a-c所示，1T/2H-MoS₂纳米片的平均厚度约为10 nm，横向尺寸介于200至500 nm之间。HRTEM图像显示1T/2H-MoS₂（1T: 80%）纳米片呈现单层或少数层结构（图1a–c和图S1g-i）。层间距测量值为0.96 nm，对应于1T/2H-MoS₂（1T: 80%）的（002）晶面。

结论

总之，本研究通过超越简单的相混合，主动工程化金属-半导体界面，推动了压电催化剂的设计。我们制备了具有定制1T/2H平面内异质结构的多态MoS₂纳米片，该异质结构具有稳定的界面诱导内建电场（E_bi）和压电场（E_pz）。具体而言，1T/2H-MoS₂（1T: 80%）表现出最高的压电势（1.18 × 10³ mV）和更明显的蝴蝶形振幅曲线（d

作者贡献声明

Shuyun Tai：撰写 – 原始草稿、方法学、实验研究。 Yuxin Wang：方法学、实验研究、数据分析、数据管理。 Wanqi Wu：数据可视化、软件处理、数据分析。 ZeJia Ju：数据可视化、结果验证、软件应用。 Yu Chen：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、项目构思。 Hong Chang：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、行政管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52100094）和教育部中央高校基本科研业务费（北京林业大学项目编号：BLX202255）的支持。作者感谢北京林业大学森林资源高值化利用创新平台的协助。