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随着全球人口增长和经济发展，能源需求与废水产生问题凸显。研究人员开展 CuS 光催化剂用于废水处理和光电催化水分解研究。结果显示，合成的 CuS 能高效降解污染物，且光电催化性能优异。该研究为相关领域提供新方向。
在当今时代，全球人口数量不断攀升，经济飞速发展，城市化进程也在持续加快。这一系列变化带来了诸多严峻挑战，其中能源需求的急剧增加和废水的大量产生尤为突出，成为了全球关注的焦点问题。传统的能源获取方式不仅面临着资源枯竭的困境，还会对环境造成严重破坏；而废水中含有的大量有机污染物，如工业染料和抗生素等，难以自然降解，严重威胁着水资源安全和生态平衡，对人类健康也构成了潜在风险 。因此，寻找一种高效且可持续的解决方案迫在眉睫。
在此背景下，研究人员聚焦于利用光催化材料和太阳能来实现有机污染物的降解以及水分解制氢，期望能一举解决能源与环境的双重难题。在众多光催化材料中，铜基氧化物 / 硫化物纳米材料凭借其结构多样、成本低廉、环境友好、带隙适宜等优势，成为了研究的热点。然而，现有的光催化材料在实际应用中仍存在诸多限制，例如对太阳能的吸收效率较低，光生电子（e?）/ 空穴（h+）对迁移到活性位点的过程受阻，以及光催化反应的可及表面积较小等，这些问题严重制约了光催化技术的实际应用效果。
为了突破这些困境，研究人员开展了一项关于合成具有独特结构的硫化铜（CuS）光催化剂的研究，旨在提高光催化效率，实现更高效的废水处理和光电催化水分解。研究成果发表在《Applied Catalysis O: Open》上。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。在材料表征方面，运用 X 射线衍射（XRD）分析材料的晶体结构，通过 X 射线光电子能谱（XPS）确定材料的化学组成和元素价态，利用扫描电子显微镜 / 透射电子显微镜（SEM/TEM）观察材料的微观形貌。在性能测试方面，通过光催化降解实验评估材料对罗丹明 B（RhB）染料和四环素（TC）抗生素的降解能力；运用光电化学（PEC）测量研究材料在光电催化水分解中的性能 。
在研究结果部分，首先是反应和生长机制。研究人员通过简单的共沉淀法合成了氧化铜（CuO）海胆状晶体，其生长过程包含成核和晶体生长两个阶段。之后，将 CuO 浸泡在多硫化物溶液中，经硫化反应得到 CuS 三维纱球状结构。这一过程涉及到一系列化学反应，如铜离子与氢氧根离子反应生成氢氧化铜，氢氧化铜再转化为 CuO；硫化物离子与铜离子反应生成 CuS 等 。
XRD 和 XPS 分析结果表明，CuO 成功转化为具有六方结构的 CuS，且晶体取向发生了变化。XPS 光谱进一步证实了 CuS 中存在 Cu+、Cu2+、S2?和 S22?离子 。
从形态分析来看，SEM 和 TEM 图像显示，CuO 呈现出规则的海胆状结构，由许多纳米片组成，具有大量活性位点；而 CuS 则形成了独特的纱球状结构，由相互交织的纳米片构成，这种结构增加了材料的比表面积和活性位点数量 。
光学性质研究发现，CuS 在可见光范围内有较强的吸收能力，其带隙能为 1.87eV，且光生电荷载流子分离效率较高，这使得 CuS 在光催化反应中具有潜在优势 。
表面面积测量结果显示，CuS 的比表面积为 8.30m2/g，平均孔径为 15.35nm，比 CuO 的结构更疏松，这有利于光催化反应的进行 。
PEC 测量结果表明，CuS 在光电催化水分解中表现出更高的光电流密度和更好的电荷转移性能，其平带电位和能带结构使其适合用于水分解制氢 。
在光催化降解研究中，研究人员考察了不同条件下对 RhB 染料和 TC 抗生素的降解效果。结果显示，在可见光照射下，添加 H2O2后，CuS 对 RhB 的降解效率极高，50min 内可实现 100% 降解，对 TC 的降解率在 120min 内达到 99.90%。通过捕获实验确定了羟基自由基（OH?）是光催化降解的主要活性物种 。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功合成了具有独特纱球状结构的 CuS 光催化剂，其在废水处理和光电催化水分解方面表现出卓越的性能。这种优异性能得益于其独特的 hierarchical nanostructure、高效的电荷分离、高密度的活性位点以及有利于有机污染物降解和产氢的能带排列。该研究为解决全球清洁水和可再生能源问题提供了新的思路和方法，有望推动光催化技术在环境修复和能源领域的实际应用，具有重要的科学意义和应用价值。
