一种用于析氢和同时降解有机污染物的两用光催化反应

光催化是一种绿色、可持续的技术，因其利用太阳能解决能源危机和环境污染的能力而受到广泛关注。水污染主要由重金属离子和有机污染物等污染物引起。其中，有机污染物具有高毒性、致癌性和难降解性，对人体健康构成严重威胁。

近年来，光催化分解有机污染物被认为是一种很有前景的水处理技术。相比之下，通过光催化水分解制氢已被证明是将太阳能转化为氢能的有效方法。

然而，目前光催化领域的大多数研究要么集中在废水的净化上，要么集中在氢气的生产上。然而，氧化降解和质子还原反应作为废水净化和能量回收的光催化过程可能更有价值。

双功能光催化过程可能有效地持续提高光量子利用的效率，例如用于同时降解有机分子的光催化析氢反应(HER)，有望实现从有机废水中析氢。

在此过程中，光生活性氧(ROS)将有机物分解成危害较小的小分子，光电子将氢质子或水分子转化为H2。尽管多种材料(如MOF、金属氧化物、金属硫化物和碳基复合材料)越来越多地用于两用光催化技术，但由于其固有缺陷，目前认为双功能光催化性能相对不理想。光催化剂及相应的机理研究不足。

因此，值得强调的是，具有双重用途和高效光量子利用的光催化剂的设计和开发对于有前景的实际应用具有重要意义。

在用于光催化剂制造的各种半导体中，金属硫化物已被证明是用于光催化H2生产或污染物降解的极有希望的候选者。ZnIn2S4是一种三元硫属化物(AB2X4)，具有低毒性、合适的带隙(2.1-2.4eV)和较高的化学稳定性。然而，原始的ZnIn2S4由于其较高的HER过电位和快速的电子-空穴复合而显示出有限的光反应性。

近年来，MoS2因其环境友好、比表面积大、稳定性好、制备简单等优点而被广泛应用于光催化有机化合物降解和析氢。先前的研究表明，MoS2是一种比许多贵金属更有效的H2析出助催化剂，因为它在其暴露的边缘上有许多不饱和的S原子活性位点。

近期，有学者报道氧掺杂的MoS2可以显着提高光催化活性并提供更多的表面活性反应位点。因此，掺杂氧的MoS2可能是制备高性能光催化材料的良好选择。

以前，MoS2-ZnIn2S4复合材料主要被考虑用于光催化HER或有机降解。近年来对MoS2/ZnIn2S4复合材料两用光催化特性及影响因素的研究有限。然而，应更详细地研究双功能系统的主要问题，包括热力学和动力学方面，以进一步阐明双功能光催化的内在机制。

在这项工作中，济南大学的研究人员通过在氧表面原位生长ZnIn2S4纳米片，设计了一种新型的海胆状氧掺杂MoS2/ZnIn2S4(OMS/ZIS)复合材料——掺杂的MoS2(OMS)纳米球。然后，成功构建了基于OMS/ZIS复合材料的双功能光催化系统，用于同时光催化产H2和有机物降解。

使用间苯二酚、四环素、双酚A和天然有机物(NOM)作为基质，研究了预期的双重用途性能，以阐明所设计的光催化氧化还原反应的相互耦合效应。还讨论了这一双重目的制度的主要机制，详细阐明了主要问题和内部关系。该研究结果可为未来高效、双功能光催化剂的合理设计提供启示。

在这项工作中，首次使用简单的溶剂热法制备了一种海胆状氧掺杂的MoS2/ZnIn2S4(OMS/ZIS)复合材料。具有丰富活性位点和快速电荷转移通道的独特微结构进一步缩短了电荷迁移距离和压缩载流子复合。

得到的复合材料在可见光下表现出12.8mmol/g/h的高效析氢反应速率，几乎是原始ZnIn2S4的1倍，表观量子效率为14.9%(420nm)。

同时光催化析H2和有机污染物分解试验结果令人满意，4h后间苯二酚、四环素和双酚A的分解效率分别达到41.5%、63.5%和53.0%，H双酚A的2释放速率为672.7μmol/g/h。

此外，在模拟太阳光照射下，在实际水中大量发现的天然有机物(NOM)被用作产H的电子供体，表明同时析氢和NOM分解具有良好的实用性。此外，还详细阐述了两用光催化反应的机理，以及有机污染物分子结构与光催化剂表面相应吸附行为之间的协同作用。

在这项研究中，首次使用简单的溶剂热法组装了一种具有相当高且稳定的光催化析氢活性的海胆状OMS/ZIS复合材料。在可见光条件下，10-OMS/ZIS的效率最高，HER率为12.8mmol/g/h。

优异的光催化析氢活性归因于独特的微观结构，其中包含丰富的活性位点和快速的电荷转移通道，缩短了电荷迁移距离并压缩了载流子复合。这导致电荷转移电阻的降低和HER的过电位降低。此外，不同有机分子上的光催化H2释放结果说明了优异的光催化两用性能，其中HER由光生电子驱动，有机物主要由空穴通过直接氧化分解。

使用不同有机分子作为电子供体的不同HER速率差异可能是由于有机分子结构与光催化剂表面相应吸附之间的协同效应。这项研究可能为设计用于环境和能源应用的高活性双功能光催化剂提供新的见解。