一种新型环保的MoS?/PAM复合材料，在可见光照射下可实现工业染料的光降解

《Micro and Nanostructures》：A Novel Eco-friendly MoS 2/PAM Composite Based Photodegradation of the Industrial Dye under Visible-Light Irradiation

本研究开发了一种新型可持续的MoS?/PAM复合水凝胶，结合了MoS?的可见光催化活性和PAM的孔隙结构，显著提高了晶体紫降解效率达93%，并具备高稳定性和重复使用性，为废水处理提供环保解决方案。

　　随着全球工业化进程的加速，各类工业废水的排放量不断上升，对水环境造成了严重威胁。特别是有机染料的污染，已经成为当前亟需解决的环境问题之一。有机染料因其高稳定性、难降解性以及广泛的应用，成为水体污染的重要来源。例如，晶体紫（Crystal Violet, CV）作为一种常见的阳离子染料，被广泛用于纺织、造纸、农业以及医疗领域，其残留物在水体中长期存在，对生态环境和人类健康构成潜在危害。因此，开发一种高效、稳定、可持续且可重复使用的光催化剂，对于实现废水的绿色治理具有重要意义。

本研究提出了一种新型的可持续光催化剂——钼硫化物/聚丙烯酰胺（MoS?/PAM）复合水凝胶。该水凝胶结合了MoS?纳米片的光催化活性与PAM水凝胶的多孔性和水吸收能力，旨在提高光催化降解有机染料的效率。MoS?作为一种二维过渡金属硫化物，因其优异的光响应性和较高的催化活性而备受关注。然而，传统MoS?材料在实际应用中存在回收困难、易发生光腐蚀以及催化活性位点有限等问题。而PAM水凝胶虽然具备良好的吸附性能和结构稳定性，但在反复使用过程中容易因过度膨胀而丧失机械强度，影响其长期使用效果。因此，将MoS?纳米片引入PAM水凝胶中，不仅可以提升其光催化性能，还能解决传统材料在实际应用中的局限性。

为了实现这一目标，研究人员通过合理的材料设计和合成方法，成功地将MoS?纳米片均匀分散在PAM水凝胶的多孔网络中。通过结构表征技术，如X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，证实了MoS?纳米片在PAM基质中的有效整合。XRD结果表明，PAM水凝胶具有非晶态结构，而MoS?/PAM复合水凝胶则显示出明显的（002）晶面衍射峰，说明MoS?纳米片的层状晶体结构得到了保留。此外，拉曼光谱分析进一步验证了MoS?纳米片在复合材料中的均匀分布，这有助于提高其光催化效率。

在形态学研究方面，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，MoS?纳米片在PAM水凝胶中均匀地分散在三维多孔结构中。这种均匀分布不仅增加了MoS?纳米片与污染物的接触面积，还提高了其光催化反应的活性位点数量。通过优化MoS?纳米片的负载量和分散方式，研究人员能够有效提升水凝胶的光催化性能，使其在可见光照射下表现出显著的降解能力。

在光催化性能测试中，MoS?/PAM复合水凝胶展现出优于纯PAM水凝胶的降解效率。实验数据显示，在可见光照射下，MoS?/PAM水凝胶对4 μM浓度的CV染料的降解率高达93%，仅需110分钟即可完成。相比之下，纯PAM水凝胶的降解效率较低，仅为约49%。这一显著提升主要归因于MoS?纳米片的引入，其不仅增强了光催化反应的速率常数（从0.0049 min?1提升至0.020 min?1），还提高了水凝胶对污染物的吸附能力。MoS?纳米片的层状结构和较大的比表面积，使其能够有效地捕获和固定CV染料，从而促进其在光催化过程中的降解。

除了高效的降解性能，MoS?/PAM复合水凝胶还具备良好的分离性和可重复使用性。由于水凝胶具有稳定的三维结构，即使在长时间的水处理过程中，其结构也不会发生明显破坏，从而确保了催化剂的回收效率。这种特性在实际应用中尤为重要，因为传统光催化剂在使用后往往难以从处理后的水中分离，导致二次污染和高昂的回收成本。相比之下，MoS?/PAM复合水凝胶可以通过简单的过滤或离心方法从水中分离，不仅降低了操作难度，还减少了对环境的二次影响。

此外，该复合水凝胶在多次循环使用后仍能保持较高的催化活性。实验结果表明，经过多次重复使用后，其降解效率并未显著下降，说明其具有良好的稳定性和耐久性。这一特性使得MoS?/PAM复合水凝胶在实际应用中更具可行性，因为它不仅能够高效地降解污染物，还能在长时间内维持其性能，从而减少更换频率和维护成本。

从环境和经济角度来看，MoS?/PAM复合水凝胶的开发为可持续废水处理提供了一种新的解决方案。一方面，MoS?作为一种天然存在的矿物，其来源相对丰富，且在光催化过程中不会产生有害副产物，符合绿色化学的基本原则。另一方面，PAM水凝胶作为超级吸水材料，具有良好的吸附性能，能够有效捕捉污染物并促进其后续降解。因此，该复合水凝胶不仅在技术上具备优势，而且在经济成本和环境友好性方面也具有显著优势。

为了进一步验证MoS?/PAM复合水凝胶的实际应用价值，研究人员还对其在不同条件下的稳定性进行了评估。实验结果显示，该水凝胶在可见光照射下表现出良好的抗光腐蚀能力，其结构在多次循环使用后仍保持完整，这为其长期应用提供了保障。同时，该水凝胶在不同pH值和温度条件下均能保持较高的催化活性，表明其具有较宽的适用范围，能够适应多种废水处理场景。

值得注意的是，MoS?/PAM复合水凝胶的制备过程相对简单，且无需复杂的化学处理或高温条件，这有助于降低其生产成本并提高可扩展性。此外，该水凝胶的制备原料均为常见化学品，且在使用过程中不会产生有毒物质，进一步增强了其环境友好性。因此，这种新型光催化剂不仅在实验室条件下表现出色，而且在工业应用中也具备较高的可行性。

本研究还探讨了MoS?/PAM复合水凝胶在实际废水处理中的潜在应用。考虑到工业废水成分复杂，单一的光催化或吸附方法可能难以满足所有污染物的去除需求。而MoS?/PAM复合水凝胶结合了吸附和光催化两种功能，使其能够在单一操作中同时实现污染物的捕获和降解，从而提高废水处理的整体效率。这种多功能性的设计不仅减少了处理步骤，还降低了能耗和操作成本，为实现高效、低成本的废水处理提供了新的思路。

为了进一步推广该技术，研究人员还对其在不同污染物中的适用性进行了初步探索。实验结果表明，MoS?/PAM复合水凝胶不仅对CV染料表现出优异的降解能力，还对其他类型的有机污染物，如罗丹明B（Rhodamine B）和亚甲基蓝（Methylene Blue）等，展现出良好的催化性能。这说明该水凝胶具有较广泛的适用性，能够适应不同类型的有机污染物处理需求。未来的研究可以进一步优化其对多种污染物的协同降解能力，以实现更全面的废水净化。

在实际应用中，MoS?/PAM复合水凝胶的使用方式也具有一定的灵活性。例如，它可以被设计成可流动的形态，以便于在大型污水处理系统中应用；也可以被制成固定形态，用于特定的污染治理场景。此外，由于其良好的吸附性能，该水凝胶还可以作为预处理材料，用于吸附水中的有机污染物，从而减少后续光催化处理的负荷。这种多功能性和适应性使其在废水处理领域具有广阔的应用前景。

综上所述，MoS?/PAM复合水凝胶作为一种新型的光催化剂，不仅在实验室条件下表现出优异的降解性能，而且在实际应用中也具备较高的可行性。其结合了MoS?的光催化活性和PAM水凝胶的吸附能力，使得污染物的去除更加高效和环保。同时，该水凝胶的结构稳定性和可重复使用性，也为其在工业废水处理中的大规模应用提供了保障。未来的研究可以进一步探索其在不同废水处理场景中的优化方案，以实现更高效、更经济、更可持续的废水治理目标。