在三元MoS?/RGO/黑磷量子点纳米复合材料上，污染物降解的光催化活性得到了增强

《Materials Today》：Enhanced photocatalytic activity for pollutant degradation over a ternary MoS 2/RGO/black phosphorus quantum dots nanocomposite

MoS?纳米材料通过引入RGO与BP量子点构建三元异质结，有效抑制载流子复合并增强活性位点，显著提升光催化降解罗丹明B、甲醛和双氯芬酸效率。创新点在于宽带隙优化、多维电荷传输通道及协同催化机制的形成。

　　在当今社会，随着能源资源的日益短缺、环境污染问题的加剧以及对药物中间体等化学品的需求不断增长，研究人员对高效、稳定且能够广泛响应光的催化剂表现出浓厚的兴趣。特别是在光催化领域，科学家们正在积极探索能够有效降解有机污染物的新材料。近年来，许多基于半导体的复合材料和异质结结构被用于污染物的降解，例如药物中间体的处理。这些材料通常具有较窄的带隙，使得它们在可见光照射下展现出比纯催化剂更高的催化活性。此外，这些材料的层状异质结构有助于电子-空穴对的分离，从而提升其光催化性能。然而，电子-空穴对的快速复合以及较低的电荷迁移率仍然是制约其广泛应用的关键因素。

因此，为了克服上述问题，本研究聚焦于基于二硫化钼（MoS?）的复合材料。我们制备了一系列含有不同比例还原氧化石墨烯（RGO）和黑磷量子点（BP QDs）的MoS?复合材料，并对其光催化和光降解性能进行了系统研究。MoS?作为一种二维层状材料，具有优异的光电性能，受到广泛关注。其具有良好的光吸附能力、高电子迁移率和较大的比表面积，同时在光催化反应过程中不会产生有害气体，这使得MoS?成为一种极具潜力的催化剂材料。然而，单层MoS?中的电子-空穴对复合率较高，限制了其在光催化领域的应用。

为了解决这一问题，我们引入了RGO和BP QDs这两种具有独特性能的纳米材料。RGO因其高导电性、高韧性、大比表面积以及优异的光学性能而被视为一种革命性材料。这些特性有助于提高半导体材料对可见光的利用率，并有效抑制电子-空穴对的复合。BP QDs则因其高效的光吸收能力、良好的光热转换效率以及可调的带隙而受到关注。它们能够在光催化过程中提供丰富的活性位点，从而提升材料的催化效率。此外，BP QDs在体内可降解为对人体有益的磷酸盐，使其在有机废水处理中具有广泛的应用前景。

通过将RGO和BP QDs共同引入到MoS?基体中，我们成功构建了（BP QDs (0.05 wt%) + RGO (4 wt%)）@MoS?三元纳米复合材料。该材料在光催化降解实验中表现出显著的性能提升：在8分钟内，它能够实现对罗丹明B（RhB）的99%降解；在30分钟内，对甲醛（HCHO）的降解率达到95.3%；而在6分钟内，对双氯芬酸（DCF）的降解效率高达98%。这些实验结果表明，该复合材料在降解多种有机污染物方面具有出色的性能。

性能提升的主要机制可以归结为以下三个方面：首先，RGO的引入有效促进了光生载流子的分离和传输，提高了材料的光电响应能力。其次，BP QDs提供了大量的活性位点，使得污染物在催化剂表面更容易发生反应。最后，RGO和BP QDs的协同作用显著延长了光生载流子的寿命，从而提高了整体的催化效率。这种三元复合结构的设计不仅克服了传统MoS?材料的局限性，还为开发高效、稳定的广谱光催化系统提供了新的思路。

本研究的创新点主要体现在三个方面：第一，通过能带工程优化，实现了材料的宽谱响应能力；第二，构建了多维的电荷传输通道，提高了电荷的迁移效率；第三，建立了多活性位点协同催化机制，使材料在降解多种有机污染物方面表现出优异的性能。这些创新不仅提升了MoS?在光催化领域的应用潜力，也为其他半导体材料的改性提供了参考。

在材料制备方面，我们采用了水热法合成MoS?基体，并结合液相剥离法制备RGO和BP QDs。水热法是一种简便且高效的合成方法，能够获得高质量的MoS?纳米片。而液相剥离法则可以有效地制备出具有高导电性和大比表面积的RGO纳米片。BP QDs的制备则通过化学合成方法实现，其尺寸和形貌可以通过调控反应条件进行精确控制。这些材料的结合不仅提高了光催化效率，还增强了材料的稳定性和可重复使用性。

为了进一步验证该复合材料的性能，我们对其进行了系统的表征分析。通过X射线衍射（XRD）分析，我们观察到了MoS?、RGO@MoS?复合材料以及（BP QDs + RGO）@MoS?纳米复合材料的晶体结构特征。MoS?的特征衍射峰出现在2θ = 14.5°、34.5°和58.3°，分别对应于MoS?的（002）、（100）和（110）晶面。这些峰的存在表明材料的结构得到了良好的保持。同时，RGO@MoS?复合材料的衍射峰则显示出明显的界面相互作用，表明RGO与MoS?之间形成了稳定的复合结构。

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的观察，我们进一步确认了材料的微观结构。SEM图像显示，MoS?纳米片表面均匀分布着RGO和BP QDs，形成了一种复杂的三维结构。TEM图像则揭示了材料内部的层状结构和异质结界面，表明RGO和BP QDs能够有效地嵌入到MoS?基体中，从而促进电子的传输和空穴的积累。这些微观结构的优化对于提升材料的光催化性能至关重要。

此外，我们还利用X射线光电子能谱（XPS）对材料的化学组成和表面性质进行了分析。XPS结果表明，RGO和BP QDs的引入改变了MoS?的表面化学状态，使其具有更多的活性位点。同时，RGO的引入增强了材料的导电性，从而有效抑制了电子-空穴对的复合。这些表面性质的改善为材料在光催化降解中的高效反应提供了有利条件。

为了评估材料的光催化性能，我们进行了紫外-可见光谱（UV–vis）分析。结果表明，（BP QDs + RGO）@MoS?纳米复合材料在可见光区域具有更宽的光响应范围，其光吸收能力显著优于纯MoS?和RGO@MoS?复合材料。这种宽谱响应能力使得材料能够在更广泛的光照条件下发挥催化作用，提高了其在实际应用中的适应性。

在光催化降解实验中，我们选择了RhB、HCHO和DCF作为典型的有机污染物进行测试。RhB是一种常用的有机染料，其降解效率常被用来评估光催化剂的性能。HCHO是一种常见的室内空气污染物，而DCF则是一种广泛存在于水体中的药物中间体。通过这些实验，我们发现（BP QDs + RGO）@MoS?纳米复合材料在降解这些污染物方面表现出优异的性能，其降解效率远高于其他材料。

为了进一步探究材料的性能提升机制，我们进行了光致发光（PL）分析。PL光谱结果显示，（BP QDs + RGO）@MoS?纳米复合材料的光生载流子复合率显著降低，表明其具有更长的载流子寿命。这一结果与我们的实验数据相吻合，说明RGO和BP QDs的协同作用确实有效抑制了电子-空穴对的复合。此外，我们还通过电化学测试验证了材料的导电性和电荷传输效率，进一步支持了我们的结论。

在讨论部分，我们对实验结果进行了深入分析，并探讨了材料性能提升的可能机制。通过文献调研，我们发现光催化反应中可能存在染料敏化效应，即RhB染料本身可能对光催化反应产生一定的促进作用。因此，我们进行了额外的自由基捕获实验，以确认污染物的降解是否主要由催化剂本身驱动。实验结果表明，催化剂的光催化反应在该系统中起主导作用，这进一步验证了我们所设计的复合材料的有效性。

在本研究中，我们还探讨了不同RGO和BP QDs比例对材料性能的影响。通过系统地调整RGO和BP QDs的掺杂比例，我们发现当RGO的掺杂比例为4 wt%，BP QDs的掺杂比例为0.05 wt%时，材料的光催化性能达到最佳状态。这一结果表明，RGO和BP QDs的协同作用在提升材料性能方面具有重要作用。同时，我们还发现，过量的RGO或BP QDs可能会导致材料的性能下降，这可能是由于界面接触不充分或电荷传输通道的阻塞所致。

综上所述，本研究通过引入RGO和BP QDs，成功构建了一种新型的MoS?复合材料，显著提升了其光催化性能。该材料在可见光照射下表现出优异的污染物降解能力，为开发高效、稳定的广谱光催化系统提供了新的思路。此外，本研究还展示了材料的多维电荷传输通道和多活性位点协同催化机制，这些特性对于提高材料的光响应能力和催化效率具有重要意义。通过系统的表征和实验验证，我们进一步确认了材料的性能提升机制，并为未来相关研究提供了理论支持和实验依据。