来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2022/11/30 10:31:57
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FESE | 前沿研究:双功能复合材料同时实现可见光催化析氢+污染物降解

论文标题:Highly effective visible-photocatalytic hydrogen evolution and simultaneous organic pollutant degradation over an urchin-like oxygen-doped MoS2/ZnIn2S4 composite(双功能复合材料同时实现可见光催化析氢+污染物降解)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Tao Yan, Qianqian Yang, Rui Feng, Xiang Ren, Yanxia Zhao, Meng Sun, Liangguo Yan, Qin Wei

发表时间:15 Oct 2022

DOI:10.1007/s11783-022-1566-z

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提 要

光催化反应作为一项绿色可持续技术,在能源和环境领域被广泛应用。本研究将可见光催化析氢与污染物降解相结合,设计制备了一种双功能复合材料催化剂,在降解污染物的同时产生氢气,有效提高了光量子的利用效率。

图1 摘要图

研 究 概 览

本研究通过一步水热法制备得到海胆样O-MoS2/ZnIn2S4复合材料,并通过XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis等表征手段对材料进行表征。从SEM图像可知(图2),O-MoS2/ZnIn2S4呈现300–400 nm粒径的纳米花形貌,同时ZnIn2S4在其表面均匀附着,形成紧密连接的异质界面。

图2 (A)OMS的SEM;(B)ZnIn2S4的SEM;(C) 10-OMS/ZIS复合材料的SEM;(D, E) 10-OMS/ZIS复合材料的TEM; (F) 10-OMS/ZIS复合材料的HRTEM;(G) 10-OMS/ZIS复合材料的元素分布图

在可见光的激发下,O-MoS2/ZnIn2S4双功能催化剂产生光生电子和空穴,光生电子与水分子或质子反应生成氢气,光生空穴直接氧化吸附在其表面的有机污染物。O-MoS2/ZnIn2S4复合材料的可见光析氢效率为12.8 mmol/g/h,相比ZnIn2S4有明显的提升。在不同有机污染物存在的条件下,该复合材料的析氢效率显著提高,且不同污染物的提升效果存在明显差异(BPA、RC、TC污染物存在条件下的析氢效率分别为672.7, 232.2, and 84.1 μmol/g/h)。在产生氢气的同时,污染物发生降解,BPA、RC、TC在4小时内的降解效率分别达到53.0%、41.5%和63.5%。由此可见,该双功能催化剂同时实现了产氢与污染物降解。

[备注] BPA:双酚A;TC:四环素;RC:间苯二酚

图3 (A)析氢效率与双酚A浓度的相关性曲线;(B)不同双酚A浓度下,10-OMS/ZIS在4小时内的析氢效率和BPA降解效率;(C) H2在不同污染物存在条件下随时间的累积量;(D)不同污染物存在条件下的析氢效率和污染物吸附降解量

(BPA:双酚A;TC:四环素;RC:间苯二酚)

编 者 按

本研究制备得到双功能催化剂材料,在降解污染物的同时产生氢气,并且揭示了污染物存在条件下析氢效率提升的机理,对双功能催化剂的设计和应用具有重要意义。

文稿 | 许婧怡,清华大学深圳国际研究生院

编者 | 黄宇雄,清华大学深圳国际研究生院,FESE青年编委

审校 | 张 姣

本文内容来自FESE期刊2022年第16卷第10期发表的Research article文章 “Highly effective visible-photocatalytic hydrogen evolution and simultaneous organic pollutant degradation over an urchin-like oxygen-doped MoS2/ZnIn2S4 composite”。通讯作者为济南大学闫涛副教授和孙蒙副教授。

引用格式:Tao Yan, Qianqian Yang, Rui Feng, Xiang Ren, Yanxia Zhao, Meng Sun, Liangguo Yan, Qin Wei. Highly effective visible-photocatalytic hydrogen evolution and simultaneous organic pollutant degradation over an urchin-like oxygen-doped MoS2/ZnIn2S4 composite. Front. Environ. Sci. Eng., 2022, 16(10): 131

摘要

Achieving hydrogen production and simultaneous decomposition of organic pollutants through dual-functional photocatalytic reactions has received increasing attention due to the environmentally friendly and cost-effective characteristics of this approach. In this work, an urchin-like oxygen-doped MoS2/ZnIn2S4 (OMS/ZIS) composite was fabricated for the first time using a simple solvothermal method. The unique microstructure with abundant active sites and fast charge transfer channels further shortened the charge migration distance and compressed carrier recombination. The obtained composite exhibited an efficient H2 evolution reaction rate of 12.8 mmol/g/h under visible light, which was nearly times higher than pristine ZnIn2S4, and the apparent quantum efficiency was 14.9% (420 nm). The results of the simultaneous photocatalytic H2 evolution and organic pollutant decomposition test were satisfactory, resulting in decomposition efficiencies of resorcinol, tetracycline, and bisphenol A that reached 41.5%, 63.5%, and 53.0% after 4 h, respectively, and the highest H2 evolution rate was 672.7 μmol/g/h for bisphenol A. Furthermore, natural organic matter (NOM) abundantly found in actual water was adopted as an electron donor for H production under simulated sunlight irradiation, indicating the promising practicability of simultaneous hydrogen evolution and NOM decomposition. Moreover, the mechanisms of the dual-purpose photocatalytic reactions, as well as the synergistic effect between the molecular structures of the organic pollutants and the corresponding adsorption behavior on the photocatalyst surface were illustrated in detail. These obtained results may serve as an inspiration for the rational design of highly efficient, dual-functional photocatalysts in the future.

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声明:本文为FESE期刊编辑部与青年编委会、作者等共同制作,内容仅供参考。欢迎转发和阅读原文,并就文章提出广泛讨论。如转载,请保持内容完整、标注信息来源。

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering 是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊,聚焦环境领域前沿问题与研究成果,重点关注开创性、跨学科的研究,致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台,是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划重点期刊。

共同主编:曲久辉院士,John Crittenden院士

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