氮缺陷诱导C-S键构建的g-C3N4-x/MoS2 Z型异质结高效活化PMS降解磺胺甲恶唑

针对体相g-C3N4可见光利用率低和载流子复合率高的问题，研究人员通过氮缺陷诱导界面C-S键构建稳定的Z型异质结光催化剂MSG5-500，实现PMS高效活化。该系统对10 mg/L磺胺甲恶唑(SMX)的降解率达97.7%，自由基(1O2/·O2?/·OH/SO4·?)协同作用显著，为有机污染物治理提供新策略。

　　

随着抗生素在环境中的持续累积，磺胺甲恶唑(SMX)等难降解有机污染物对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统处理方法难以有效清除这类污染物，而基于过一硫酸盐(PMS)的高级氧化工艺(AOPs)因其强氧化性和pH适应性广备受关注。然而，光催化剂g-C₃N₄存在可见光利用率低、载流子复合率高等瓶颈，限制其与PMS的协同效能。

为解决这一难题，陕西某研究团队通过氮缺陷工程和异质结构建策略，开发出新型二维g-C₃N_4-x纳米片/MoS₂二元光催化剂MSG_5-500。该材料通过界面C-S键稳定Z型异质结，在可见光下对PMS的活化效率较体相g-C₃N₄提升4.7倍，84分钟内对SMX的降解率高达97.7%。研究证实¹O₂是主导活性物种，并通过LC-MS鉴定出10种低毒性中间体。该成果发表于《Environmental Research》，为设计高效稳定的光催化-PMS系统提供了新思路。

关键技术方法包括：1) 热解法结合氧化剥离制备氮缺陷g-C₃N_4-x纳米片；2) 水热法原位生长MoS₂构建Z型异质结；3) 电子顺磁共振(EPR)检测自由基物种；4) 液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析降解路径；5) 电化学测试评估载流子分离效率。

【材料制备与表征】
通过HNO₃/H₂O₂氧化剥离获得超薄g-C₃N_4-x纳米片，TEM显示MoS₂均匀分散于纳米片表面。XPS证实氮缺陷促使相邻碳原子与MoS₂的硫形成C-S键，FTIR中1054 cm^?1新峰佐证该化学键存在。

【光催化性能】
MSG_5-500/PMS体系速率常数达0.043 min^?1，EPR检测到¹O₂信号最强。自由基淬灭实验表明¹O₂贡献率61.5%，而h⁺直接氧化占比22.3%。

【降解机理】
Z型机制促使电子在g-C₃N_4-x的导带积累，高效还原PMS生成SO₄^·?；空穴则氧化PMS产生¹O₂。LC-MS揭示SMX通过磺胺键断裂、苯环羟基化和S-N键氧化三条路径降解。

【实际应用】
在河水、湖水等真实水样中保持90%以上降解率，5次循环后效率仅下降7.2%，C-S键显著提升异质结稳定性。

该研究创新性地通过氮缺陷调控界面化学键，解决了异质结稳定性难题。MSG_5-500不仅拓展了g-C₃N₄基材料在AOPs中的应用边界，其"缺陷-键合"协同策略更为设计高效环境催化剂提供了普适性方法。未来通过能带工程优化可见光响应，或可推动该技术走向实际工程应用。