综述：光催化微生物燃料电池用于能源生产与环境修复

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Photocatalytic microbial fuel cells for energy production and environmental remediation: a brief review

本综述系统探讨了光催化微生物燃料电池（PMFCs）在可持续能源生产和环境修复领域的协同作用。重点分析了g-C3N4基异质结（如MoS2/g-C3N4）的微波合成策略及其通过增强可见光吸收、促进光生载流子分离和降低反应能垒（如*COOH中间体）来提升CO2还原性能的机制，为碳中和技术提供了新思路。

　　

Abstract

光催化CO₂还原技术是实现碳中和的关键路径，但面临可见光响应有限、光生载流子复合率高及选择性低等瓶颈。本研究通过一步固相微波法构建了MoS₂/g-C₃N₄（MSCN）复合材料。利用MoS₂的微波表面过热效应促进g-C₃N₄聚合，实现了紧密的界面耦合并构建了典型的II型异质结。所得MSCN复合材料具有扩大的g-C₃N₄层间距和粗糙的层状结构，增加了比表面积和活性位点。界面电子从g-C₃N₄向MoS₂迁移显著促进了光生载流子的分离与传输。在可见光下，优化后的MSCN催化剂实现了20.14 μmol·g^-1·h^-1的CO产率，是纯g-C₃N₄的三倍，且选择性达93.3%，并具备优异的循环稳定性。关键的是，MoS₂的引入增强了CO₂吸附能力，并将*COOH中间体形成的能垒降低了28.2%（相较于纯g-C₃N₄），从而加速了反应动力学。本研究为设计高效异质结光催化剂建立了微波驱动策略，并为提高光催化CO₂还原效率和选择性提供了理论依据。

Introduction

日益严峻的气候危机迫切需要先进的碳中和技术，光催化CO₂还原利用太阳能将温室气体转化为可再生燃料（如CH₄、CO、CH₃OH、CH₃CH₂OH）成为一种有前景的途径。然而，其实际应用存在可见光吸收有限、电子-空穴对复合快以及产物选择性不足等瓶颈，严重制约了光催化CO₂还原的选择性和效率。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种非金属光催化材料，因其特殊的二维层状结构赋予的高热稳定性和化学惰性、仅含C和N元素避免了金属离子浸出造成的二次污染，以及约2.7 eV的带隙可直接吸收可见光蓝光部分，被广泛应用于光解水制氢、CO₂光还原、有机污染物降解等多种光催化反应体系。但g-C₃N₄也存在比表面积有限导致活性位点少、光生载流子分离效率低等显著缺陷，限制了其光催化性能的进一步提升。

近年来，构建异质结构成为突破单一半导体材料性能瓶颈的重要策略。研究表明，通过精确调控异质结的界面特性，可以显著提高材料的光电转换效率。例如，通过能带工程与介孔结构设计相结合，或利用独特的纳米管结构，或通过二维界面工程和贵金属修饰构建肖特基异质结，这些策略均能有效解决g-C₃N₄中光生载流子分离和传输效率低下的核心问题。

异质结的合成方法对其结构精度和性能至关重要。高效g-C₃N₄异质结设计需要满足三个关键要求：紧密的界面接触以促进电荷迁移、精确控制组分分布以确保活性位点均匀暴露，以及在光催化条件下保持结构稳定性以维持耦合的能带对齐。与传统加热方法相比，微波加热在加热速率、能源效率和热分布均匀性方面具有显著优势，有助于提高材料合成的反应效率和产物一致性。新兴的微波熔盐法因其快速、高效和环境友好而受到青睐，它利用微波特异性加热产生快速热梯度，并借助熔盐模板引导层状结构的定向生长，可作为合成g-C₃N₄基异质结的平台，实现结构调控和界面工程同步进行，从而获得具有明确界面和增强载流子分离效率的异质结。

本研究采用固相微波一步法合成了MoS₂/g-C₃N₄复合材料。通过利用MoS₂的微波表面过热效应，该方法促进了g-C₃N₄的快速聚合，并实现了MoS₂与g-C₃N₄之间的紧密界面耦合。这种耦合构建了一个稳定的II型异质结，显著提高了光生载流子的分离效率。在光催化CO₂还原过程中，该异质结通过内建电场抑制电子-空穴复合；为CO₂吸附和活化提供丰富的界面活性位点；并实现电子从g-C₃N₄向MoS₂的定向迁移，其中层状MoS₂纳米结构促进了反应物与催化剂的接触。这些协同效应共同增强了CO₂向CO的转化效率，同时在循环光还原条件下保持了结构稳定性。本研究确立了微波诱导界面耦合作为增强光催化CO₂还原的关键策略，为设计高效异质结催化剂提供了机理见解和实用途径。

Section snippets

Synthesis of CN

准确称取1.67 g硫脲和3.33 g尿素，一同置于研钵中研磨至混合物均匀且颗粒细小。将混合粉末在微波马弗炉中进行热处理，过程包括以10 °C/min的升温速率加热至550°C，随后烧结60分钟。自然冷却后，将所得固体转移至离心管中，用去离子水洗涤三至四次。

Morphological and structural characterization

XRD分析用于表征所制备催化剂的晶体结构。CN样品在13.1°和27.6°处出现（100）和（002）衍射峰，分别对应于CN的面内周期结构和层状芳香共轭堆积特征。MoS₂样品则在14.3°、33.6°、39.6°和58.6°处显示出（002）、（101）、（103）和（110）晶面的特征峰。

Conclusions

通过固相微波一步合成实现的MoS₂/g-C₃N₄异质结中的微波诱导界面耦合，是增强光催化CO₂向CO转化的关键机制。这种耦合效应促进了MoS₂与g-C₃N₄之间的原子级接触，构成了稳定的II型异质结，扩大了g-C₃N₄的层间距以增加活性位点，并促进了电子从g-C₃N₄向MoS₂的定向转移，从而提升了光生载流子的分离效率。

CRediT authorship contribution statement

Shuo Wang: 数据管理。 Haotong Ma: 审阅与编辑，可视化，数据管理。 Jixuan Dong: 原稿撰写，形式分析，数据管理。 Shuning Xiao: 审阅与编辑，监督，资源，调查，资金获取。 Yingchun Miao: 审阅与编辑。 Zhanshuo Tao: 数据管理。

Declaration of Competing Interest

作者声明以下可能被视为潜在竞争利益的财务关系/个人关系：肖树宁报告获得了国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的资助。其他作者声明没有已知的可能影响本工作的竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgement

本研究得到了国家自然科学基金（22106105）、上海市科技创新行动计划（21DZ1206300）、云南省科技厅科技人才与平台计划项目（202305AF150088, 202405AF140016）及云南大学协同创新中心（曲靖绿色光伏产业协同创新中心）的支持。