构建g-C3N4/MoS2/SnO2二维/二维/一维异质结用于染料敏化太阳能电池对电极及药物污染物光降解

本研究针对能源转换效率低和药物污染物难降解问题，开发了g-C3N4/MoS2/SnO2二维/二维/一维（2D/2D/1D）异质结材料。通过水热法合成的该杂化催化剂在DSSC中实现3.38%的光电转换效率（PCE%），并能在80分钟内降解96%的环丙沙星（CIP）和95%的布洛芬（IBU）。其Z型协同机制和超高比表面积（65.8 m2 g-1）为环境修复与可再生能源开发提供了新策略。

　　

随着全球能源危机和环境污染加剧，开发高效光催化材料和低成本太阳能电池成为研究热点。染料敏化太阳能电池（DSSC）因其制备简单、成本低廉备受关注，但对电极（CE）材料催化活性不足制约其效率提升。同时，制药废水中的环丙沙星（CIP）和布洛芬（IBU）等污染物难以通过传统方法降解，亟需新型光催化剂。现有半导体材料如g-C₃N₄虽具可见光响应，但电荷复合率高；MoS₂导电性好却易团聚；SnO₂稳定性佳但带隙宽。如何通过材料设计协同提升光电转换与污染物降解效率，成为突破瓶颈的关键。

为解决上述问题，国内研究人员通过水热法构建了g-C₃N₄/MoS₂/SnO₂二维/二维/一维（2D/2D/1D）异质结。该材料中g-C₃N₄与MoS₂纳米片通过自组装包裹SnO₂纳米棒，形成独特分级结构。研究采用XRD、FTIR、XPS、BET、FE-SEM/HR-TEM等表征手段证实材料结构，并通过光电性能测试和药物降解实验评估其应用潜力。

材料合成与表征
水热法制备的杂化材料呈现典型2D/2D/1D形貌，SnO₂纳米棒（直径20-30 nm）均匀分散于g-C₃N₄和MoS₂纳米片间。XRD显示杂化材料保留各组分的晶相特征，但（002）晶面峰位从27.84°偏移至28.58°，表明SnO₂成功嵌入g-C₃N₄层间。BET测试显示杂化材料比表面积（65.8 m² g^-1）较纯g-C₃N₄（36.3 m² g^-1）显著提升，有利于活性位点暴露。

DSSC性能分析
作为对电极时，杂化材料表现出优异的电荷传输性能：电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻（R_ct）低至4.3 Ω，远低于纯g-C₃N₄（24.09 Ω）。组装的DSSC获得8.6 mA/cm²的短路电流密度（J_sc）和0.558 V的开路电压（V_oc），光电转换效率（PCE%）达3.38%，15天后仍保持90%初始效率。

光催化降解性能
在模拟太阳光下，杂化材料对CIP和IBU的降解率分别达96%（80分钟）和95%（100分钟），速率常数（k=0.3320 min^-1）是纯g-C₃N₄的7.4倍。自由基捕获实验和ESR谱证实Z型机制主导反应过程：SnO₂导带（E_CB=+3.11 eV）电子转移至MoS₂价带（E_VB=+1.74 eV），促进超氧自由基（•O₂^-）和羟基自由基（•OH）生成。PL光谱显示杂化材料荧光强度显著降低，表明SnO₂有效抑制了电子-空穴复合。

该研究创新性地通过2D/2D/1D结构设计，实现了材料比表面积和电荷分离效率的协同提升。g-C₃N₄/MoS₂/SnO₂杂化体系兼具能源转换与环境修复双重功能，其Z型机制为多组分催化剂设计提供了新思路。未来可通过调控纳米棒与纳米片的尺寸比例，进一步优化材料的光电响应范围，推动其在工业废水处理和可再生能源领域的实际应用。