近期，中科院合肥研究院固體所環(huán)境材料與污染控制研究部孔令濤研究員團(tuán)隊(duì)在光-類芬頓催化降解抗生素污染物的研究中取得新進(jìn)展。通過在缺陷型WO3-x材料上原位生長分級MoS2，成功構(gòu)建出含適量氧缺陷濃度和能帶匹配的WO3-x @MoS2異質(zhì)結(jié)催化劑，實(shí)現(xiàn)在寬pH范圍內(nèi)對四環(huán)素（TC）抗生素的高效降解。相關(guān)研究成果以“Defect-engineered WO3-x@MoS2 hollow tube exhibiting enhanced Fenton-like and photocatalytic activities via electric field rearrangement and band alignment”為題，發(fā)表在Applied Catalysis B：Environmental（(Appl. Catal. B: Environ., 320, 122013 (2023))上。

分子氧和H2O2作為氧化劑在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域具有綠色、環(huán)保的優(yōu)勢。WO3由于其較溫和的化學(xué)性質(zhì)、良好的可見光響應(yīng)能力和合適的氧化電位在廢水處理、空氣凈化等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。但純WO3的光生載流子分離效率較低，能源利用效率不足。因此，建立一個以分子氧和H2O2為氧化劑的WO3催化氧化體系，實(shí)現(xiàn)低能耗與高性能的兼顧仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。缺陷工程是調(diào)控催化劑性能的主要手段之一，氧空位修飾被廣泛用于提高半導(dǎo)體材料的光催化活性。WO3作為一種n型半導(dǎo)體材料，可通過與適當(dāng)p型半導(dǎo)體復(fù)合，實(shí)現(xiàn)載流子的有效分離，改善其性能。p型半導(dǎo)體MoS2具有大比表面積、多活性位點(diǎn)的特性，且與WO3有良好的能帶匹配。因此，通過調(diào)控WO3-x氧空位同時復(fù)合MoS2對提升催化劑的性能具有重要的意義。

鑒于此，研究人員提出一種建立載流子分離效率與驅(qū)動力損耗之間優(yōu)化平衡的策略，并成功構(gòu)建出含有適量氧缺陷濃度和能帶匹配的WO3-x@MoS2異質(zhì)結(jié)催化劑，以TC降解和大腸桿菌滅活實(shí)驗(yàn)作為概念性驗(yàn)證，證明了其在較寬的pH范圍內(nèi)展現(xiàn)出良好的光催化和類芬頓性能。機(jī)理研究表明，適量氧缺陷協(xié)同合適的能帶匹配顯著提升了催化劑中光生載流子的分離效率；同時激發(fā)其活化H2O2生成自由基的本征屬性，促進(jìn)了光-類芬頓體系中活性物種的產(chǎn)生與積累。生態(tài)評估方面，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算對TC的降解路徑及產(chǎn)物毒性進(jìn)行了分析鑒定，WO3-x@MoS2光-類芬頓催化劑顯示出對環(huán)境微污染物的深度處理能力。該工作為雙功能光催化劑的設(shè)計(jì)與制備提供了新的思路，對拓展傳統(tǒng)光催化劑應(yīng)用以及提高能源利用效率具有重要的參考價(jià)值。

上述工作得到了國家重點(diǎn)研究開發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金及合肥研究院院長基金等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122013

圖1. WO3-x和WO3-x@MoS2掃描電鏡、高分辨透射電鏡和元素Mapping圖。

圖2. WO3-x@MoS2催化劑對TC降解和大腸桿菌滅活的性能評估。

圖3. TC降解的路徑分析以及其產(chǎn)物的鑒定和毒性評估。