综述：基于g-C3N4的异质结构纳米复合材料的光催化性能综合分析：最新进展与未来展望

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A comprehensive analysis on photocatalytic performance of g-C3N4 based heterostructure nanocomposites: Recent progress and future perspectives

　　K. Rajanikara Swamy | G. Shyamala | Thirumala Rao Gurugubelli | Babu Bathula | Gobinath Ravindran
印度特伦甘纳邦瓦朗加尔（Warangal-506371）SR大学工程学院土木工程系

**摘要**
快速的人口增长和工业化导致了废水量的大幅增加，水体受到持久性药物和抗生素的污染。许多废水处理方法效果不佳，甚至会产生有毒物质。基于纳米技术的先进半导体材料在光催化领域展现出巨大的潜力，能够将这些有毒污染物转化为无害化合物。本文研究了三种关键的光催化剂——石墨碳氮化物（g-C3N4）、铋钨酸盐（Bi2WO6）和二硫化钼（MoS2）在废水处理中的应用潜力。为了提升它们的光催化性能，采用了多种合成方法，如热聚合、水热反应、溶剂热处理、微波辅助以及化学气相沉积等，以改善这些材料的电荷分离能力和光吸收能力。通过XRD、FTIR、XPS、SEM、HRTEM、BET、UV-vis、PL和EIS等技术对光催化剂进行了详细表征，以确定其结构完整性和催化性能。此外，本文还探讨了通过工程化异质结配置（如I型、II型、Z型和S型结构）实现的电荷转移优化策略，这些策略有望进一步提高光催化效率，从而有效控制环境污染并去除废水中的污染物。

**引言**
工业全球化、人口增长和环境污染导致了全球废水产量的急剧增加[1]。主要河流受到药物和抗生素污染，其浓度超过了安全标准，对水生生物造成长期毒性影响，并促使耐药细菌的出现。全球多条河流中的抗生素含量超标，导致水生生物中毒及耐药细菌的扩散[2]。据预测，到2050年，抗菌素耐药性每年将导致多达1000万人死亡[3]。因此，迫切需要高效的方法来降解环境中的抗生素和其他持久性污染物[4]。传统的污水处理方法（物理、化学和生物方法）存在局限性，无法有效处理这类污染物[5]。由于物理吸附和化学氧化作用，通常会导致降解效果不佳和二次污染[6]。对于纺织染色和制药等行业产生的废水，传统方法难以去除罗丹明B（RhB）和盐酸四环素（TH）等顽固污染物[7]。

另一个挑战是含有抗生素的制药废水。这些污染物不仅具有毒性，而且难以降解，使用传统方法难以完全去除其中的有机物质[8]。物理吸附过程效率低下且成本高昂，而生物处理需要很长时间才能见效，因此在紧急情况下不适用[9]。通过先进氧化技术（尤其是半导体光催化技术）将污染物矿化为无害化合物成为了一种有前景的解决方案[10]。光催化技术已成为降解有机污染物的有效手段，可将它们转化为二氧化碳（CO2）和水（H2O）等无毒物质[5]。g-C3N4是一种热导率高的稳定化合物，在高温下仍具有优异的光催化性能[6]；其低成本和制备简便性使其具有广泛的应用前景[11]。其与MoS2和Bi2WO6等材料的异质结形成是其主要优势之一，这些异质结能显著提升光催化活性并降低电荷复合率[1]。g-C3N4还具有高电导率，有助于光生载流子的迁移，从而增强光催化效果[6]。Bi2WO6的窄带隙（约2.7 eV）使其能强烈响应可见光[12]，其在可见光下的光催化应用非常高效。其规则的斜方晶体结构保证了高纯度和稳定性，有利于长时间保持光催化活性[13]。与其他材料（如MoS2和g-C3N4）形成的Z型异质结可进一步提高光催化效率[14]。Bi2WO6不仅能降解有机污染物，还具有广泛的pH适用范围且可回收利用，使其在环保领域具有吸引力[15]。

MoS2也是一种有前景的光催化剂，其化学和电学特性使其在可见光光催化中表现出色[16]。其较大的比表面积增强了与反应物的相互作用，提高了光催化效率[1]。良好的电导率有助于有效分离和传输光生载流子[17]。MoS2还能与石墨烯形成异质结，进一步优化光催化活性[18]。在降解污染物过程中，MoS2还能生成活性氧物种[19]。

**本文的创新之处**
本文首次综合比较了g-C3N4、Bi2WO6和MoS2光催化系统的性能，重点关注异质结工程和电荷转移机制。与传统研究仅单独分析每种材料不同，本文系统地探讨了合成方法、结构、性能之间的关系，并提供了表征数据、特定污染物的降解情况以及科学计量分析。同时，还深入分析了稳定性、可扩展性和实际应用性等问题，提供了更全面的应用视角。

**主要内容**
本文深入讨论了g-C3N4、Bi2WO6和MoS2基光催化剂在可见光照射下的废水处理效果。系统总结了合成策略、结构特性、物理化学性质、异质结工程及电荷转移机制与有机污染物（如抗生素和染料）降解之间的关系。特别关注了I型、II型、Z型和S型异质结结构的发展，以优化电荷分离和氧化还原效率。与传统综述相比，本文建立了明确的合成-结构-性能关联，并对新污染物处理趋势进行了科学计量分析。

**部分技术细节**
- **Melamine的热聚合**：g-C3N4可通过在指定温度下对三聚氰胺进行热处理制备[1][20][21]，具体方法是在550°C下加热4.0-15克三聚氰胺，加热时间为2-4小时，加热速率为2-10°C/min[22][23]。
- **表征技术**：通过晶体相、化学键、表面形态和内部成分分析来评估材料性质和光催化性能[10][37][38]。
- **光催化降解**：不同光催化剂在可见光下的四环素降解效果显著提升[10]，例如xMS/BWO、3CN/BWO和xCN/0.5MS/BWO（0.2 g/L）异质结在0.5% MoS2和3% g-C3N4条件下表现出86.8%-94.8%的降解效率，而15 wt% MoS2添加时效果优于g-C3N4和Bi2WO6[1]。
- **g-C3N4/MoS2/Bi2WO6异质结构的基础与机制**：多种半导体的结合可形成异质结构，从而改善电荷分离和界面电荷转移，提升光催化活性[1][22][30][33][38]。
- **g-C3N4的应用**：由于其化学稳定性、热稳定性和低成本，g-C3N4在废水处理、CO2还原和污染物降解中具有广泛应用[9][10][26][27][14]。
- **放大挑战与材料设计**：光催化技术的发展依赖于异质结构和复合材料，它们能提高活性位点的数量并优化光能利用和电荷载流子管理[24]。

**作者贡献声明**
K Rajanikara Swamy：撰写初稿、方法论设计、概念构思；
G Shyamala：审稿与编辑、监督、资源协调、方法论分析、数据整理；
Gobinath Ravindran：审稿与编辑、监督、资源协调、数据整理；
Thirumala Rao Gurugubelli：审稿与编辑、监督、资源协调、数据整理、概念构思；
Babu Bathula：审稿与编辑、监督、资源协调、数据整理。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢SR大学提供的研究资助。