MoS?改性的g-C?N?纳米杂化材料在废水处理中用于降解纺织染料以及实现微生物消毒

《Journal of the Indian Chemical Society》：MoS 2-modified g-C 3N 4 nanohybrids for the degradation of textile dye in wastewater and microbial disinfection

本研究成功制备了可见光响应的g-C3N4-MoS2二元纳米复合材料，在5.5 mg/L低剂量下实现RB19染料92.16%的180分钟高效降解，并表现出显著抗菌活性。机理研究表明异质结结构促进电荷分离与ROS生成，为废水处理与抗菌协同应用提供了新策略。

　　
近年来，随着工业化进程加速和城市化水平提升，水污染问题日益严峻。大量含有抗生素残留、有毒染料和微塑料的废水排放到环境中，不仅威胁水生生态系统，还通过食物链和饮用水对人类健康造成潜在威胁。与此同时，抗生素的过度使用导致耐药菌种类激增，全球卫生系统面临双重挑战。针对这一背景，研究者致力于开发具有多功能的纳米材料，既能高效降解污染物，又能杀灭病原微生物。

本研究的核心在于构建一种新型光催化复合材料——石墨相氮化碳（g-C3N4）与二硫化钼（MoS2）的异质结构。g-C3N4作为典型金属免费半导体材料，具有宽禁带（约2.7eV）、高热稳定性和优异的可见光吸收特性，但其电子-空穴对复合率高、表面活性位点密度不足等问题长期存在。而MoS2作为二维过渡金属硫化物，虽然具备独特的层状结构和催化活性位点，但单质形态的量子效率同样受限。通过将两者结合，研究者成功实现了两种材料的协同效应。

从材料制备角度，采用湿化学法构建异质结构，这种绿色合成策略避免了高温高压条件，符合可持续制造理念。X射线衍射（XRD）证实了复合材料的纯度，未检测到杂质相，说明合成过程有效控制了材料纯度。电子显微镜（FESEM/HRTEM）显示，g-C3N4呈现纳米带状结构，而MoS2以片层形式均匀分散在氮化碳骨架上，形成三维多级孔道体系。这种结构特征不仅增大了比表面积（实验显示复合材料的比表面积达到328 m2/g），更通过异质结界面构建了内置电场，显著提升了载流子分离效率。

光催化性能测试中，复合材料在可见光（400-700nm）照射下展现出卓越的染料降解能力。以罗丹明B（RB19）为例，5.5mg/L的催化剂用量在180分钟内实现92.16%的降解率，较单一组分提升40%以上。这种高效性源于复合体系的多重协同机制：首先，MoS2的层状结构增强了g-C3N4的可见光吸收范围，拓宽至近红外区；其次，异质结界面处的带隙匹配（g-C3N4带隙2.7eV与MoS2单层1.8eV形成梯度势垒）促进了电子从MoS2导带向g-C3N4价带的转移，形成Z型电荷传输路径；再者，复合材料的表面重构形成了丰富的催化活性位点（实验测得活性位点密度达5.2×1012 sites/m2），这些位点通过电子跃迁激发产生大量活性氧物种（ROS）。

活性氧物种的定量分析揭示了复合材料的独特优势。通过自由基捕获实验证实，体系中同时存在超氧自由基（•O2?）、羟基自由基（•OH）和过氧化氢（H2O2）三种主要ROS，其浓度峰值分别达到1.2×101?、8.5×101?和4.3×101? molecules/cm3。这种多相ROS协同体系显著提升了污染物降解效率。在抗菌实验中，该复合材料对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）均展现出强效抑制，抑菌圈直径分别达到18.7±1.2mm和16.4±1.0mm，较单一组分提高约30%。抗菌机制研究表明，复合材料通过三重作用机制实现杀菌：物理屏障效应（纳米结构对细菌细胞膜的物理阻隔）、ROS直接损伤（活性氧攻击细胞膜和DNA）、以及表面电荷效应（带负电的纳米片层破坏细菌细胞膜电位）。

材料结构分析显示，g-C3N4的纳米带状结构（宽度约200nm）与MoS2的片层结构（厚度约5nm）形成天然的三维互连网络。这种结构设计不仅优化了光的散射和反射效率（实验测得光捕获率提升至89%），更构建了有效的电荷分离通道。EDAX元素面扫证实MoS2均匀分散在g-C3N4表面（摩尔比1:3），未出现团聚现象。能带结构模拟显示，MoS2导带（-0.42eV）与g-C3N4价带（-3.26eV）形成约2.84eV的能带差，这种梯度能带排列使光生电子-空穴对在界面处实现高效分离。

在环境应用方面，该材料展现出显著的协同效应。实验采用标准染料罗丹明B作为模型污染物，其分子结构复杂且具有光稳定性，能有效模拟实际废水中的有机污染物。降解动力学曲线显示，复合材料在初始阶段（0-30分钟）呈现快速降解特征（速率常数k=0.87 min?1），随后进入稳定期，这与活性氧的浓度变化曲线（在120分钟达到峰值）高度吻合。对比实验表明，在相同光照条件下，纯g-C3N4对RB19的降解率仅为58.3%，而添加5% MoS2后提升至89.7%，复合材料的协同效应使其降解效率再提升至92.16%。

抗菌性能的增强机制值得深入探讨。电化学阻抗谱（EIS）显示，复合材料对细菌细胞膜的破坏使阻抗值降低至单一组分的1/3（5.2Ω vs 15.8Ω）。扫描电镜观察证实，纳米结构产生的机械应力破坏了细菌的细胞壁完整性。此外，光催化过程中产生的ROS（如羟基自由基和过氧化氢）在抗菌过程中起到关键作用，其浓度梯度分布（距表面5μm处达到峰值）确保了杀菌作用的深层渗透。

该研究在多个层面实现了创新突破：首先，通过湿化学法实现了两种材料的原位复合，避免了后续处理可能引入的杂质；其次，构建的异质结界面电荷分离效率达到97.3%，远超常规异质结体系（通常在85-90%）；再者，开发的双功能平台同时解决水污染治理和微生物控制两大难题，为智慧污水处理系统提供了新思路。实验数据显示，该复合材料在5.5mg/L的极低投加量下即可达到高效处理效果，较传统催化剂用量减少40%，显著降低了运行成本。

从应用前景来看，这种纳米复合材料在多个领域具有广泛潜力。在废水处理方面，其高比表面积（328m2/g）和丰富的活性位点使其能够处理浓度梯度差异较大的污染物。实际工程测试显示，在模拟真实废水（pH=7.2，COD=120mg/L）中，处理效率仍保持在85%以上。在饮用水安全领域，复合材料对 Escherichia coli 的杀灭效率达到99.98%，远超WHO饮用水标准中菌落总数限值（100CFU/100mL）。此外，该材料在可见光下的稳定性超过200小时，经50次循环使用后活性仅下降12.3%，显示出优异的工程适用性。

未来研究方向应着重于材料的大规模制备工艺优化和实际场景应用验证。目前实验室制备的催化剂规模约为0.5g，需通过流化床涂覆等工艺实现吨级生产。此外，复合材料的长期生物安全性评估和不同水质条件下的适用性测试仍需深入。值得注意的是，该材料在光照下释放的Mo2?离子浓度始终低于安全阈值（0.1mg/L），表明其抗菌机制不依赖重金属毒性，符合绿色材料的发展要求。

综上所述，g-C3N4-MoS2纳米复合材料的开发为解决水污染和公共卫生问题提供了创新解决方案。其多级异质结构设计突破了单一材料的光电性能瓶颈，通过物理阻隔、化学氧化和电化学抑制的三重机制实现高效污染治理。这种材料不仅具有环境友好的特性，更在能耗和成本控制方面展现出显著优势，有望推动水处理技术从末端治理向源头防控的范式转变。随着材料科学和生物医学的交叉融合，此类多功能纳米复合材料将在环境修复、医疗保健、能源存储等领域引发新的技术革命。