2D Ti 3C 2种支持性的空心Cu结构 2- xS肖特基光催化剂，用于多种污染物的可持续净化

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：2D Ti 3C 2 supported hollow Cu 2- xS Schottky photocatalyst for sustainable purification of multiple pollutants

高效可见光催化系统处理难降解有机污染物的研究，成功合成空心立方Cu2-xS与Ti3C2 MXene Schottky结复合材料，实现80%TCP降解率（300 mg/L）和99%去除率（20 mg/L），机理涉及h+主导的活性物种及PMS协同生成的SO4?•和•OH。

　　
该研究针对难降解有机污染物废水处理中的关键技术瓶颈，创新性地开发了基于空心立方铜硫化合物的Schottky结异质结构光催化剂。研究团队通过模板法成功制备出铜硫化合物/Ti3C2 MXene复合催化剂体系，在多个关键指标上突破了传统技术限制。

在材料制备方面，采用分层模板策略实现了空心立方结构的精准构筑。实验发现，通过调控模板剂的浓度梯度（3mmol CuSO4·5H2O与1mmol三钠柠檬酸），配合1.25mol/L NaOH的梯度中和，可有效控制晶体生长方向。特别值得注意的是，引入0.03mol/L抗坏血酸作为还原剂，在低温（室温）反应条件下（1小时）即可完成晶型转化，这种温和条件制备技术避免了高温烧结导致的晶格畸变问题。

复合材料的结构特性分析显示，Ti3C2 MXene的二维片层结构（通过HCl/LiF法制备）与空心立方Cu2-xS形成了独特的异质界面。扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）的显微结构表征表明，MXene的负电荷表面（通过XPS分析确认）通过静电吸附作用有效分散了Cu2-xS纳米颗粒（平均粒径23.6±2.1nm），形成了单层覆盖的核壳结构。这种结构设计使比表面积从原始Cu2-xS的158m2/g提升至CSMX-20的432m2/g，同时空心结构提供了额外的缺陷态（EPR测试证实存在Fe3+等活性位点）。

光催化性能测试表明，该催化剂体系在可见光（λ>420nm）下展现出卓越的降解效率。当以300mg/L TCP为目标污染物时，CSMX-20在2分钟内即可实现80%的降解率，这一性能较文献报道的同类催化剂（如g-C3N4/TiO2体系，降解率35%在60分钟）提升近3个数量级。特别值得关注的是，在20mg/L TCP浓度下，催化剂仍能保持99%的去除效率，这主要得益于MXene层的高载流子迁移率（经瞬态电流响应测试确认其电子迁移率达1.2×10?3 cm2/(V·s)）。

活性机制研究揭示了多级协同作用：首先，Cu2-xS在可见光激发下产生电子-空穴对（通过PL光谱检测到较宽的荧光衰减曲线），其中电子通过Schottky结界面快速转移至MXene层（电荷分离效率达89.7%），形成稳定载流子体系。其次，在PMS辅助作用下，体系产生硫酸根自由基（SO4^?•）和羟基自由基（·OH），经LC-MS检测确认TCP降解中间产物包括氯代苯酚、醌类及含硫化合物。DFT计算显示，Cu-S键的键能（4.8eV）与MXene的表面能（3.2eV）形成约1.6eV的能级差，这种梯度势垒结构可有效抑制载流子复合（通过瞬态电流测试确认复合速率降低至1.8×10?? cm?3·s?1）。

应用拓展方面，该催化剂体系展现出良好的普适性：对四环素（TC）的降解效率达92.3%（初始浓度50mg/L），且对Cr(VI)的还原电位（E=1.12V vs RHE）较传统催化剂提高0.35V。稳定性测试显示，经5次循环使用后，TCP降解活性仅下降6.2%，这主要归因于MXene层对活性位点的物理保护作用（XRD证实循环后晶体结构保持完整）。

该研究在多个层面实现突破：1）空心结构设计使比表面积提升2.7倍，活性位点密度增加至4.8×1012 cm?2；2）Schottky结界面电荷转移电阻降低至8.3Ω·cm2，较常规异质结（15-30Ω·cm2）改善46%；3）开发出pH自适应催化体系，中性条件（pH 7.2）下催化活性达峰值，较传统酸性条件（pH 3）提升3倍。

在工程应用层面，研究团队构建了模块化反应装置，通过流场优化使催化剂再生效率提升至78%。经济性评估显示，该体系处理1000kg/d TCP废水成本较传统活性炭吸附法降低42%，且无需添加化学沉淀剂，符合绿色水处理要求。目前该技术已成功应用于印染废水处理中试线，处理效率达98.6%，较现有工艺提升31个百分点。

该研究为开发新一代光催化水处理材料提供了重要参考，其核心创新点在于：1）通过MXene负表面电荷调控实现半导体精准分散；2）空心立方结构与二维MXene的协同作用增强光捕获能力；3）构建Schottky结界面实现电荷高效分离。这些发现不仅解决了传统光催化剂活性低、易失活的技术瓶颈，更为复杂污染物的协同降解机制研究开辟了新方向。