S掺杂的MoO?纳米棒（长径为xS，短径为yS），表面涂覆含氮的水热碳化层，用于高效光催化还原Cr(VI)

《Journal of Alloys and Compounds》：S-Doped MoO xS y Nanorod Coated with N-Containing Hydrothermal Carbonization for Efficient Photocatalytic Reduction of Cr(VI)

通过原位硫化和水热合成制备了MoO_xS_y@NC纳米棒，其S掺杂和MoO2异质结结构有效降低了带隙并分离光生电子-空穴对，N-HTC涂层增强Cr(VI)吸附，使光催化性能显著提升。

　　近年来，随着工业技术的不断发展，重金属及其化合物在多个领域得到了广泛应用。然而，这些重金属的污染也对人类健康和生态环境构成了严重威胁。特别是在众多重金属中，六价铬（Cr(VI))因其广泛的用途、高毒性和良好的生物相容性而备受关注。此外，Cr(VI)通常以阴离子形式存在，如Cr?O?2?，这使得它与其他金属阳离子相比，更难通过常规的处理方法有效去除。因此，开发高效、环保的光催化剂对于解决Cr(VI)污染问题显得尤为重要。

光催化技术因其高催化效率、操作简便、能耗低以及无二次污染等优点，被认为是理想的绿色化学方法。在光照条件下，光催化剂能够被激发，进而催化Cr(VI)的还原反应，将其转化为低毒性的Cr(III)。显然，高效光催化剂的开发对于实现Cr(VI)污染的治理具有重要意义。目前，许多研究致力于寻找能够有效去除Cr(VI)的材料，其中金属氧化物因其结构稳定性好、应用潜力大而受到关注。

钼酸三氧化物（MoO?）作为一种金属氧化物，因其独特的层状结构、适中的能带结构、良好的化学稳定性和丰富的储量，近年来吸引了大量研究兴趣。此外，通过晶体工程设计，可以调控MoO?的晶体相、晶面和单晶形态，从而进一步提升其光催化性能。例如，有研究通过简单的水热法，利用部分原位还原合成MoO?纳米颗粒修饰的MoO?纳米带，表现出比纯MoO?更高的光催化活性。然而，MoO?纳米材料在实际应用中仍存在两个主要问题：一方面，纯MoO?在光照条件下容易导致光生电子-空穴对的快速复合，从而降低其量子效率和光催化活性；另一方面，MoO?通常以氧原子终止表面，这种氧富集的电负性表面可能会阻碍Cr(VI)离子的吸附，影响其光催化性能。因此，如何同时改善MoO?的能带结构和表面特性，是提升其光催化效率的关键。

针对上述问题，研究人员提出了一种创新的策略，通过原位硫化和水热合成技术，制备出一种一维的MoO?S?@NC纳米棒。该材料以MoO?纳米棒为前驱体，在水热条件下引入硫原子，并将其部分替换原有的氧原子，形成S掺杂的MoO?纳米棒，记作MoO???S?。随后，通过二次水热反应，将含有氮元素的水热碳化（N-HTC）层均匀地覆盖在MoO???S?纳米棒表面，最终形成具有核壳结构的MoO?S?@NC纳米棒。该结构不仅能够有效改变MoO?的能带结构，降低其能带隙能量，还能通过N-HTC层提升对Cr(VI)离子的吸附能力，从而实现更高效的光催化反应。

研究团队通过系统分析发现，S掺杂显著改变了MoO?的能带结构，使其具有更低的能带隙，从而提高了光生电子-空穴对的分离效率。同时，N-HTC层的引入不仅增强了材料表面的活性，还通过物理吸附和化学相互作用，提高了Cr(VI)离子在材料表面的结合能力。这一双重改进机制使得MoO?S?@NC纳米棒在可见光照射下表现出优异的光催化性能，能够高效地将Cr(VI)还原为Cr(III)。实验数据表明，该材料的光催化效率显著优于未改性的MoO?纳米材料，这为其在实际水处理中的应用提供了坚实的基础。

为了进一步探究该材料的光催化机制，研究人员通过多种表征手段分析了其结构和性能。结果表明，S掺杂不仅改变了MoO?的能带结构，还通过形成一种类型的II异质结，有效促进了光生电子-空穴对的分离。此外，N-HTC层的引入不仅改善了材料表面的电子转移效率，还通过增强Cr(VI)离子的吸附能力，提升了整个反应体系的催化效率。这些结构和性能的协同作用，使得MoO?S?@NC纳米棒在可见光照射下表现出出色的光催化活性。

从应用角度来看，该材料具有广阔的发展前景。一方面，其独特的核壳结构和表面特性使其在可见光驱动的光催化反应中表现出色，能够高效去除Cr(VI)污染；另一方面，该材料的制备过程相对简单，成本较低，适用于大规模生产。因此，MoO?S?@NC纳米棒有望成为一种高效的光催化剂，为水处理技术的发展提供新的思路。此外，该研究也为其他金属氧化物的改性提供了参考，有助于开发更多具有高活性的光催化剂。

在实验过程中，研究人员采用了多种方法来优化材料的性能。首先，通过水热法合成MoO?纳米棒，确保其具有良好的一维结构。接着，利用原位硫化技术引入硫原子，形成S掺杂的MoO?纳米棒。这一过程不仅能够改变材料的能带结构，还能通过硫原子的引入提升其光催化活性。随后，通过水热碳化反应，在材料表面形成含有氮元素的碳化层。这一层不仅能够改善材料表面的电子转移效率，还能通过增强对Cr(VI)离子的吸附能力，进一步提升整个反应体系的催化效率。

为了验证材料的性能，研究人员进行了系统的实验测试。结果表明，MoO?S?@NC纳米棒在可见光照射下表现出优异的光催化活性，能够高效地将Cr(VI)还原为Cr(III)。同时，该材料的循环稳定性也得到了验证，显示出良好的重复使用能力。这些实验结果不仅证明了该材料在光催化反应中的有效性，还为其实用化提供了依据。

此外，该研究还探讨了MoO?S?@NC纳米棒的光催化机制。通过分析材料的能带结构和表面特性，研究人员发现，S掺杂和N-HTC层的协同作用是提升其光催化性能的关键。一方面，S掺杂能够有效改变MoO?的能带结构，降低其能带隙能量，从而提高光生电子-空穴对的分离效率；另一方面，N-HTC层的引入不仅提升了材料表面的活性，还通过增强对Cr(VI)离子的吸附能力，促进了反应的进行。这些结构和性能的协同作用，使得MoO?S?@NC纳米棒在可见光照射下表现出出色的光催化活性。

从长远来看，该研究不仅为Cr(VI)污染的治理提供了新的解决方案，还为光催化剂的设计和开发提供了理论依据。通过调控材料的能带结构和表面特性，可以进一步提升其光催化性能，从而满足实际应用的需求。此外，该研究还表明，通过引入不同的掺杂元素和表面改性方法，可以实现对不同重金属污染物的高效去除，这为未来的环境治理研究提供了新的方向。

在实际应用中，MoO?S?@NC纳米棒具有良好的稳定性，能够在多种环境下保持其催化活性。这使得该材料不仅适用于实验室研究，还具有广阔的工业应用前景。例如，该材料可以用于污水处理、空气净化等环境治理领域，为解决重金属污染问题提供了一种高效、环保的技术手段。此外，由于其制备过程相对简单，成本较低，该材料也具有较高的经济可行性，适合大规模生产和应用。

总之，MoO?S?@NC纳米棒的开发为解决Cr(VI)污染问题提供了一种新的思路。通过原位硫化和水热合成技术，成功制备出具有独特结构和性能的光催化剂，其在可见光照射下表现出优异的光催化活性。该研究不仅揭示了材料的光催化机制，还为未来光催化剂的设计和开发提供了理论依据和技术支持。随着相关研究的不断深入，有望开发出更多高效、环保的光催化剂，为环境治理和工业发展做出更大贡献。