LANGMUIR | ZnIn2S4/MoS2−SA光催化凝胶制备及其在废水处理中的光催化与太阳能界面蒸发协同作用研究

研究背景

随着工业化进程加快，废水污染已成为日益严重的环境问题。未经处理的废水含有抗生素、染料等难降解污染物，传统水处理技术难以高效去除，迫切需要开发新型可持续解决方案。太阳能作为清洁、丰富的能源，为废水处理提供了可持续途径。光催化技术可利用太阳能分解污染物，而太阳能界面蒸发技术能通过光热转换实现水净化。两者的结合具有协同增效潜力，但相关研究仍较为缺乏。虽然ZnIn2S4具有合适的带隙和可见光响应能力，但其光腐蚀倾向及大比表面积导致的污染物积聚问题限制了实际应用。传统光催化剂（如金属氧化物、半导体）存在光生载流子复合率高、光吸收范围窄等问题，异质结结构被认为是改善性能的有效途径。作为窄带隙半导体，MoS2具有优异的光热转换性能和载流子迁移能力，其二维结构可提供丰富的活性位点。因此通过构建ZnIn2S4/MoS2异质结，可促进光生电子-空穴对的分离，同时拓宽光吸收范围并增强稳定性。传统粉末催化剂存在回收困难、易团聚等问题。因此采用海藻酸钠（SA）基气凝胶作为载体，结合定向冷冻技术形成梯度孔结构，既能防止孔道堵塞，又可通过光热蒸发实现废水浓缩与净化一体化。

当前研究多聚焦单一技术（如光催化或蒸发），而将两者结合的体系研究较少。该工作旨在开发兼具高效光催化降解和太阳能蒸发性能的多功能材料，为废水处理提供新思路。

研究结论

本文通过以ZnIn2S4为模板，在其纳米花结构上负载片状MoS2，成功设计了一种新型异质结光催化剂ZnIn2S4/MoS2。该复合物与海藻酸钠结合，通过定向冷冻技术制备成气凝胶。该材料在废水处理中表现出高效的光催化降解能力，同时具备太阳能界面蒸发性能，能够浓缩废水并生产清洁水。对50 mg/L四环素的催化效率在1小时内达到88%，五次循环后仍保持88%降解率。气凝胶在模拟太阳光下蒸发速率达1.984 kg m⁻² h⁻¹，光热转换效率达95.5%。材料的多孔结构和异质界面有效促进了光生载流子传输，为兼具光催化和界面蒸发的废水处理材料设计提供了新思路。

相关成果以“Preparation of ZnIn2S4/MoS2 − SA Photocatalyst Gel for Wastewater Treatment : Photocatalytic Performance and Solar Interfacial Evaporation”为题发表在《LANGMUIR》上。（JCR二区，中科院二区,IF=3.7）。

研究数据

图 1.ZnIn2S4/MoS2-SA 气凝胶的制备过程示意图。

图 2：(a) ZnIn2S4 纳米花的扫描电镜图像；(b) MoS2 纳米片的扫描电镜图像；(c,d) ZnIn2S4/MoS2 纳米花的扫描电镜图像；(e,f) ZnIn2S4/MoS2-SA 气凝胶的扫描电镜图像。

图 3：（a）MoS2、ZnIn2S4和不同含量ZnIn2S4/MoS2的 XRD 图；（b）ZnIn2S4/MoS2的拉曼光谱。

图 4：(a,b) ZnIn2S4/MoS2的 SEM 和 TEM 图像；(c) ZnIn2S4/MoS2 的 HRTEM 图像；以及 ZnIn2S4/MoS2 纳米结构的元素图谱：(d)Mo；(e)Zn；(f)In；(g)S。

图 5：(a) ZnIn2S4和 ZnIn2S4/MoS2 的 XPS 测量光谱；ZnIn2S4和ZnIn2S4/MoS2的高分辨率 XPS 光谱；(b) S 2p；(c) Mo 3d 和 S 2s；(d) In 3d；(e) Zn 2p；(f) ZnIn2S4和不同浓度ZnIn2S4/MoS2的紫外吸收光谱。

图 6.ZnIn2S4和 ZnIn2S4/MoS2的红外光热图像和照片。

图 7：(a)MO；(b)RhB；(c)MB 的光催化剂；30 分钟降解紫外线吸收光谱。

图 8.(a) 不同 pH 值下 TC 的降解率；(b) 不同初始 TC 浓度下的降解率；(c) 不同无机阴离子条件下 TC 的降解率；(d) 五次循环后 ZnIn2S4/MoS2的降解曲线；(e)ZnIn2S4/MoS2和ZnIn2S4 的孔径分布；(g) 光催化实验前ZnIn2S4/MoS2的扫描电镜图像；(h) 光催化实验后 ZnIn2S4/MoS2的扫描电镜图像。

图 9：（a）三种材料的光电流响应图；（b）三种材料的电化学阻抗谱（EIS）。

图 10. (a) 在相同的界面蒸发条件下，添加ZnIn2S4/MoS2 或 ZnIn2S4的 SA 气凝胶与空白组的质量变化；(b) 三者的蒸发速率和光热转换效率；(c) ZnIn2S4/MoS2-SA 十次蒸发循环下的蒸发速率和光热转换效率； (d)ZnIn2S4/MoS2-SA 与/MoS2-SA 和ZnIn2S4-SA 在湿态下太阳辐照温度变化的红外图像；(e)ZnIn2S4/MoS2-SA 的物理图像； (f) 热导率比较；(g) ZnIn2S4/MoS2-SA 和 ZnIn2S4-SA 在湿润状态下太阳辐照下的温度变化；(h) 本材料与文献中报道的其他材料的性能比较。 (h) 光催化气凝胶和光催化剂的性能比较。

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c00454

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