Многослойный MoS2: эффективен и экологичен

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14148 (2023) Цитировать эту статью

34 доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Фотокаталитическая деградация является многообещающим методом удаления стойких органических загрязнителей из воды из-за его низкой стоимости (см. Фотокатализ на солнечной энергии), высокой минерализации загрязняющих веществ и низкого воздействия на окружающую среду. Фотокатализаторы на основе дихалькогенидов переходных металлов (ДМД) в последнее время привлекают большой научный интерес благодаря своим уникальным электрическим, механическим и оптическим свойствам. Фотокатализатору MoS2 слоистой структуры удалось фоторазложить метиленовый синий (МБ) под действием видимого света. Катализатор был тщательно охарактеризован с помощью измерений СЭМ, АСМ, порошковой рентгенографии, УФ-Вид, комбинационного рассеяния света и РФЭС. Фотокаталитическая деградация раствора МБ проводилась в следующих условиях: (i) восстановительная и (ii) окислительная. Обсуждалось влияние оптических и электронных свойств, а также взаимодействия MoS2-MB на фотокаталитическую активность. Кажущаяся константа скорости (капп) деградации составила 3,7 × 10–3; 7,7 × 10–3; 81,7 × 10–3 мин–1 для фотолиза, окислительного фотокатализа и восстановительного фотокатализа. Сравнение эффективности деградации МБ в восстановительных и окислительных процессах указывает на важную роль реакции с поверхностным электроном. В процессе окисления кислород реагирует с электроном с образованием супероксидного анион-радикала, участвующего в дальнейших превращениях красителя, тогда как в процессе восстановления присоединение электрона дестабилизирует хромофорное кольцо и приводит к его разрыву.

Деятельность человека приводит к загрязнению воды химическими веществами, образующимися в ходе различных технологических процессов. Рост использования химикатов обусловлен нынешним образом жизни и непрерывным ростом населения. По прогнозам, в ближайшем будущем это окажет большее давление на природные экосистемы и население. Поэтому разработка новых технологий очистки сточных вод является важной экологической проблемой. В последние десятилетия большое внимание уделяется разработке новых методов очистки сточных вод1. Среди них весьма перспективным представляется гетерогенный фотокатализ, но наиболее эффективные катализаторы созданы на основе дорогих и редких драгоценных металлов, таких как платина и золото. Недавние исследования2,3 показывают, что дихалькогениды переходных металлов могут быть дешевой и удобной альтернативой катализаторам из драгоценных металлов.

Молибденит (MoS2) относится к семейству дихалькогенидов переходных металлов (TMD). Дисульфид молибдена представляет собой слоистый материал с сэндвич-подобной структурой, обладающий многими уникальными свойствами4. Его особенности позволяют использовать его в качестве фотокатализатора. MoS2 существует в трех фазах: двух стабильных полупроводниковых фазах с тригонально-призматической структурой (2H и 3R) и металлической октаэдрической метастабильной фазе (1T). Объемный MoS2 имеет непрямую запрещенную зону ~ 1,2 эВ, которая после восстановления слоев меняется на прямую запрещенную зону ~ 1,9 эВ5. Это указывает на то, что материал обладает сильным эффектом поглощения солнечного света. Наноматериалы MoS2 обеспечивают хорошую каталитическую активность благодаря высокой реакции поглощения в видимом диапазоне длин волн. Недостатком этого материала является быстрая рекомбинация фотогенерированных электронно-дырочных пар6. Разделение зарядов можно улучшить за счет увеличения соотношения краев металла (плоских краев 100) и грани (базовой плоскости 002). Активные центры катализатора сосредоточены в основном в краевых центрах и S-вакансиях, а его базисная плоскость считается химически инертной. Край кристалла имеет высокую поверхностную энергию, что позволяет MoS2 быстро реагировать с кислородом. Кроме того, однослойный MoS2 обладает превосходной подвижностью носителей заряда, такой же хорошей, как и у углеродных нанотрубок7.

Значительные усилия были предприняты для исследования каталитической активности различных наноструктур MoS2, таких как наночастицы, мезопоры, нанопроволоки, аморфный MoS2, тонкие пленки и химически расслаенные слои MoS2. MoS2 использовался в экологической инженерии для очистки органических загрязнителей путем адсорбции и фотокаталитического разложения8,9,10,11,12,13,14.