固体所在光-类芬顿催化降解抗生素污染物方面取得新进展

近期，中科院合肥研究院固体所环境材料与污染控制研究部孔令涛研究员团队在光-类芬顿催化降解抗生素污染物的研究中取得新进展。通过在缺陷型WO3-x材料上原位生长分级MoS2，成功构建出含适量氧缺陷浓度和能带匹配的WO3-x @MoS2异质结催化剂，实现在宽pH范围内对四环素（TC）抗生素的高效降解。相关研究成果以“Defect-engineered WO3-x@MoS2 hollow tube exhibiting enhanced Fenton-like and photocatalytic activities via electric field rearrangement and band alignment”为题，发表在Applied Catalysis B：Environmental（(Appl. Catal. B: Environ., 320, 122013 (2023))上。

分子氧和H2O2作为氧化剂在环境修复领域具有绿色、环保的优势。WO3由于其较温和的化学性质、良好的可见光响应能力和合适的氧化电位在废水处理、空气净化等领域具有较大的应用前景。但纯WO3的光生载流子分离效率较低，能源利用效率不足。因此，建立一个以分子氧和H2O2为氧化剂的WO3催化氧化体系，实现低能耗与高性能的兼顾仍然是一项挑战。缺陷工程是调控催化剂性能的主要手段之一，氧空位修饰被广泛用于提高半导体材料的光催化活性。WO3作为一种n型半导体材料，可通过与适当p型半导体复合，实现载流子的有效分离，改善其性能。p型半导体MoS2具有大比表面积、多活性位点的特性，且与WO3有良好的能带匹配。因此，通过调控WO3-x氧空位同时复合MoS2对提升催化剂的性能具有重要的意义。

鉴于此，研究人员提出一种建立载流子分离效率与驱动力损耗之间优化平衡的策略，并成功构建出含有适量氧缺陷浓度和能带匹配的WO3-x@MoS2异质结催化剂，以TC降解和大肠杆菌灭活实验作为概念性验证，证明了其在较宽的pH范围内展现出良好的光催化和类芬顿性能。机理研究表明，适量氧缺陷协同合适的能带匹配显著提升了催化剂中光生载流子的分离效率；同时激发其活化H2O2生成自由基的本征属性，促进了光-类芬顿体系中活性物种的产生与积累。生态评估方面，结合实验结果与理论计算对TC的降解路径及产物毒性进行了分析鉴定，WO3-x@MoS2光-类芬顿催化剂显示出对环境微污染物的深度处理能力。该工作为双功能光催化剂的设计与制备提供了新的思路，对拓展传统光催化剂应用以及提高能源利用效率具有重要的参考价值。

上述工作得到了国家重点研究开发计划、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金及合肥研究院院长基金等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122013

图1. WO3-x和WO3-x@MoS2扫描电镜、高分辨透射电镜和元素Mapping图。

图2. WO3-x@MoS2催化剂对TC降解和大肠杆菌灭活的性能评估。

图3. TC降解的路径分析以及其产物的鉴定和毒性评估。