室温电子束合成绿色荧光石墨烯量子点，用于增强光催化降解性能

《Applied Ocean Research》：Room-temperature electron beam synthesis of green fluorescent graphene quantum dots for enhanced photocatalytic degradation

光催化降解甲基橙的高效材料设计与机理研究。通过室温电子束辐照合成绿色荧光石墨量子点（GQDs），与CdS纳米线复合形成GQDs/CdS异质结构，拓宽可见光吸收至600 nm，抑制电子-空穴复合，增强光催化活性。3% GQDs/CdS在120分钟内实现99.6%的甲基橙降解，主要活性物种为·O2?和·OH。结合机械振动诱导的压电效应，内建电场促进电荷分离，循环三次后活性仍保持95%以上。研究提出GQDs与CdS的协同优化策略及压光电催化耦合新思路。

　　

李伟涛|李帅|江宁佳|熊玉萍|黄远豪|刘阳|李尚|董泽云|王启哲|李双燕|李明

中国中原理工大学纺织与服装工业研究院，郑州450007

摘要

快速的工业和农业发展提高了生活水平，但也加剧了环境污染，尤其是持久性有机污染物的污染，这些污染物对人类健康和生态系统构成了威胁。光催化技术因其高效性、环境兼容性和可回收性而被视为去除污染物的有前景的方法。本文报道了一种在室温下通过电子束照射1,5-二氨基萘合成绿色荧光石墨烯量子点（GQDs）的方法，所得GQDs的发射峰位于571纳米。随后将这些GQDs沉积在CdS纳米线上，形成GQDs/CdS复合材料，用于光催化降解甲基橙（MO）。GQDs的引入拓宽了可见光吸收范围（达到约600纳米），促进了界面电荷转移，抑制了电子-空穴复合，并显著增强了光催化活性。优化后的3 wt% GQDs/CdS复合材料在可见光照射下几乎完全降解了甲基橙（99.6%在120分钟内），其中·O₂^?和·OH被确认为主要的反应物种。此外，将光催化与机械搅拌下的压电催化相结合，在CdS纳米线内部产生了极化场，进一步促进了电荷分离和反应物种的生成。该复合材料经过三个连续循环后仍保持了超过95%的活性，证实了其优异的稳定性。这项工作提供了一种简单且可持续的方法，通过GQDs杂化来增强基于CdS的光催化剂，并突出了压电-光催化耦合在环境修复中的协同潜力。

引言

工业和农业活动释放的有机污染物不断增加，对生态系统和人类健康构成了严重威胁，这凸显了高效和可持续修复策略的迫切需求[1,2]。在先进的氧化技术中，基于半导体的光催化技术因其能够利用太阳能、在温和条件下运行以及最小化二次污染而受到广泛关注[3,4]。许多单组分光催化剂，包括TiO₂、ZnO和g-C₃N₄，已经被广泛研究[[5], [6], [7], [8]]。然而，它们较宽的带隙、有限的可见光吸收和快速的电荷复合大大限制了其实际应用[9], [10], [11]。相比之下，硫化镉（CdS）具有相对较窄的带隙（约2.4电子伏特）和强的可见光吸收能力，使其成为一种有前景的光催化剂[12,13]。此外，CdS还具有压电效应，机械应力可以诱导内部电场，从而促进电荷分离并抑制电子-空穴复合[14,15]。然而，CdS容易发生光腐蚀，并且长期稳定性不足，这限制了其操作寿命[16]。

构建异质结已成为克服这些限制的有效策略，通过促进电荷载流子分离和扩展光吸收来提高光催化效率[[17], [18], [19]]。在这一框架下，GQDs作为共催化剂越来越受到关注[[20], [21], [22]]。它们的尺寸依赖性带结构、高表面积和强的电子接受能力使得与半导体材料结合时能够改善光捕获和加速电荷转移[[23], [24], [25]]。GQDs特别具有优势，因为它们具有化学稳定性、可调的电子性质和丰富的表面官能团，使其成为构建高性能异质结的理想选择。

在本研究中，通过简单的室温电子束照射方法[[26], [27], [28]]合成了GQDs，随后将其与CdS纳米线结合，形成了GQDs/CdS异质结构[29,30]。该设计旨在协同利用CdS的可见光响应性和压电效应以及GQDs的电荷转移和稳定能力。所得复合材料经过系统表征和评估，用于光催化降解染料污染物，并阐明了其背后的机制，为高效异质结光催化剂的设计提供了见解，以应用于环境修复。

化学试剂

本研究中使用的所有化学品均购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.，无需进一步纯化即可使用。主要使用的试剂包括四水合硝酸镉（Cd(NO₃)₂·4H₂O）、硫脲（CH₄N₂S）、1,5-二氨基萘（C₁₀H₁₀N₂）、氢氧化钠（NaOH）、乙二胺（C₂H₈N₂）和甲基橙（C₁₄H₁₄N₃NaO₃S）。

GQDs的合成

将0.1克1,5-二氨基萘溶解在10毫升1摩尔/升的氢氧化钠溶液中，并进行超声处理以确保完全

结果与讨论

在本研究中，1,5-二氨基萘被溶解在氢氧化钠溶液中，并通过电子束照射合成了具有绿色荧光的GQDs。该过程如图1所示。图1a–c使用TEM、HRTEM和AFM展示了合成得到的石墨烯量子点（GQDs）的形态特征。TEM（图1a）显示GQDs分布均匀，横向尺寸分布较窄（约3.26纳米）。HRTEM及其对应的FFT图（图1b）显示了清晰的

结论

总结来说，通过室温电子束方法合成了绿色荧光GQDs，并将其与CdS纳米线结合，形成了稳定的GQDs/CdS异质结构。这些GQDs具有宽的可见光吸收范围（延伸至约650纳米）和强的绿色发射，激发波长为465纳米，相应的发射峰位于571纳米，证实了它们在光催化方面的优良光学性能。当与CdS结合时，优化后的3 wt%复合材料几乎完全降解了甲基橙

CRediT作者贡献声明

李伟涛：概念构思、资金获取、资源协调、监督、验证、撰写及审稿编辑。李帅：方法设计、数据分析。江宁佳：验证、监督。熊玉萍：数据分析。黄远豪：方法设计、数据分析。刘阳：数据分析。李尚：概念构思。董泽云：数据管理。李双燕：实验研究。李明：撰写及审稿编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62305400）、河南省自然科学基金（252300421234）、河南省科学技术协会青年人才支持计划（2025HYTP055）、河南省高等教育机构关键科研项目（25B540001）、中原理工大学青年骨干教师支持计划（20250905）以及中原大学学科青年硕士导师培养项目的支持