协同光催化作用：在Ti3C2量子点改性的ZnIn2S4表面上实现氧气活化并用于甲醛氧化

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Synergistic photocatalytic O 2 activation toward formaldehyde oxidation on Ti 3C 2 quantum dot-modified ZnIn 2S 4

光催化系统Ti3C2量子点/ZnIn2S4（TQDs/ZIS）通过增强电荷分离与氧气活化效率，实现甲醛高效氧化，速率达纯ZnIn2S4的3.55倍，并协同检测其他挥发性有机物。

　　在当今环境污染日益严重的情况下，挥发性有机化合物（VOCs）的治理成为环境保护的重要课题之一。其中，甲醛（HCHO）作为一种常见的有毒VOCs，因其对人体健康的潜在危害而备受关注。由于甲醛具有强烈的致癌性，即使是微量的存在也可能对人类健康造成威胁，因此，寻找一种高效、可持续的治理方法显得尤为迫切。近年来，光催化氧化技术因其在常温常压下即可实现VOCs的高效去除，逐渐成为研究热点。然而，传统的氧化方法往往需要高温、高压等苛刻条件，不仅能耗高，还可能产生二次污染。因此，开发一种能够在可见光驱动下实现高效氧化的新型光催化剂成为研究的重点。

本研究提出了一种基于Ti?C?量子点（TQDs）与ZnIn?S?（ZIS）复合材料的光催化系统，用于同时检测和氧化甲醛。该系统的设计理念在于通过优化光催化剂的结构，提升其对氧气的活化能力以及对VOCs的氧化效率。TQDs作为一种零维材料，具有丰富的活性位点和高效的电荷转移特性，能够显著促进光生电子与空穴的分离，从而降低氧气活化的热力学障碍。与此同时，ZIS作为一种具有负带电势的三元层状材料，具备较强的还原能力，但其表面活性位点不足以及电荷复合率较高，限制了其在光催化领域的应用。通过将TQDs与ZIS复合，不仅可以弥补ZIS的不足，还能进一步提升系统的整体性能。

实验结果表明，TQDs/ZIS复合材料在可见光照射下表现出显著的氧气活化能力，其超氧自由基（•O??）和单线态氧（1O?）的生成量分别比纯ZIS提高了约2.81倍和2.73倍。这一现象表明，TQDs的引入有效改善了ZIS的电子结构，从而促进了氧气的活化和活性氧物种（ROS）的生成。在高浓度甲醛的条件下，TQDs/ZIS表面丰富的ROS能够高效与甲醛分子反应，不仅提高了系统的气体响应能力，还增强了对特定气体分子的选择性。例如，在实验中，TQDs/ZIS对乙醇（C?H?OH）和甲醛的响应表现尤为突出，显示出其在气体检测方面的优异性能。

此外，该系统在可见光照射下的光催化氧化速率也显著提升。具体而言，TQDs??/ZIS在可见光条件下的甲醛氧化速率达到了0.032 min?1，是纯ZIS的3.55倍。这一结果不仅验证了TQDs对ZIS性能的提升作用，也表明该复合材料在实际应用中具有较高的可行性。通过对比不同浓度的TQDs/ZIS复合材料，研究发现当TQDs浓度为10 ppm时，系统的性能达到最佳状态，说明适量的TQDs掺杂对于提升催化效率至关重要。

为了进一步揭示TQDs/ZIS复合材料在氧气活化和甲醛氧化过程中的作用机制，研究团队采用了密度泛函理论（DFT）计算方法。DFT计算结果显示，TQDs能够有效调节ZIS的电子结构，从而促进氧气的活化并优化ROS的反应路径。这一理论分析与实验数据相吻合，为理解复合材料的性能提供了坚实的依据。同时，研究还通过原位光谱分析方法，对甲醛的氧化过程进行了深入探讨，揭示了反应过程中关键中间产物的形成和转化路径，进一步完善了光催化氧化的机理模型。

除了性能的提升，该研究还关注了系统的实际应用潜力。在设计和制备过程中，研究团队采用了喷雾和旋涂等简便且可扩展的工艺方法，使得TQDs/ZIS复合材料的制备更加高效和环保。这种工艺不仅降低了生产成本，还提高了材料的均匀性和稳定性，为大规模应用提供了技术支持。同时，通过实验验证，该系统在不同浓度和环境条件下均表现出良好的性能，说明其具有较强的适应性和鲁棒性。

在气体检测方面，TQDs/ZIS系统展现出独特的优势。当反应气体与活性氧物种发生反应时，会导致材料表面电阻的变化，这种变化可以被用来监测气体的存在和浓度。研究团队通过电化学测量方法，对氧气与多种VOCs（如乙醇、甲醛、甲苯和二甲苯）之间的协同作用进行了比较分析，发现TQDs/ZIS对甲醛的响应尤为显著。这一特性使得该系统不仅能够高效氧化甲醛，还能在检测过程中实现对目标气体的高选择性识别，为未来的气体传感技术提供了新的思路。

本研究的创新点在于，通过设计和制备一种具有多功能特性的光催化系统，实现了对甲醛的高效氧化和检测。这种系统不仅能够有效解决传统方法在能耗和二次污染方面的不足，还具备较高的经济可行性，为有毒VOCs的治理提供了新的解决方案。此外，研究团队还对系统的关键因素和反应动力学进行了深入分析，为后续的工程应用奠定了理论基础。通过结合实验和理论分析，本研究为光催化技术的发展提供了重要的参考价值，同时也为环境治理领域带来了新的希望。

在实际应用中，TQDs/ZIS系统的高效性能使其有望成为室内空气净化和工业废气处理的重要工具。特别是在当前对空气质量要求日益提高的背景下，该系统能够有效去除空气中的有毒VOCs，提升居住和工作环境的安全性。此外，其在可见光下的高效反应能力也使其适用于光照条件较为复杂的场景，如建筑内部、地下空间等。通过进一步优化材料的结构和性能，未来有望实现更广泛的应用，包括便携式气体检测设备、智能空气净化系统等。

本研究不仅在材料设计和性能优化方面取得了重要进展，还通过系统的实验和理论分析，揭示了光催化氧化过程中氧气活化和ROS生成的关键机制。这种深入的理解有助于指导未来光催化剂的设计和开发，推动光催化技术在环境治理领域的广泛应用。同时，研究团队在制备工艺上的创新也为实际应用提供了技术支持，使得该系统能够更加便捷地实现规模化生产。通过将光催化氧化与气体检测功能相结合，TQDs/ZIS系统为解决VOCs污染问题提供了新的思路和方法。

此外，本研究还强调了光催化技术在可持续发展中的重要性。相比传统的高温氧化和化学氧化方法，光催化氧化利用太阳能作为驱动力，不仅降低了能源消耗，还减少了对环境的负面影响。这种绿色、环保的处理方式符合当前社会对可持续发展的需求，具有广阔的前景。研究团队通过对系统性能的全面评估，证明了TQDs/ZIS在可见光驱动下的高效性，为未来开发更加环保和高效的光催化材料提供了重要的参考。

总的来说，本研究通过设计和制备一种新型的TQDs/ZIS复合光催化剂，实现了对甲醛的高效氧化和检测。这一成果不仅在理论层面深化了对光催化机制的理解，还在应用层面展示了其在环境治理中的巨大潜力。随着研究的不断深入和技术的持续创新，相信这一新型光催化系统将在未来的环境治理和空气净化领域发挥更加重要的作用。