氧空位修饰TiO2-Ov/g-C3N4 S型异质结的二维PCIS光谱原位分析及其高效协同光催化降解水中萘的研究

针对多环芳烃(PAHs)水污染治理难题，研究人员通过水热-煅烧法构建了氧空位修饰的TiO2-Ov/g-C3N4 S型异质结(TCN)，创新性采用二维PCIS光谱实现材料原位表征。实验表明TCN-30在180分钟内降解82.44%萘(Nap)，ESR证实氧空位(OV)与ROS生成的关键作用，DFT计算揭示了S-scheme异质结的构效关系，为功能性光催化剂设计提供新范式。

　　

多环芳烃(PAHs)作为典型持久性有机污染物，其环境危害性日益凸显。其中萘(Nap)作为低分子量PAHs代表，不仅在海水中广泛检出(32.58-166.2 ng/L)，更被国际癌症研究机构(IARC)列为2类致癌物。传统处理技术如Fenton法和生物降解存在效率低、二次污染等问题，而半导体光催化技术虽能实现污染物矿化，但面临载流子复合率高、可见光利用率低等瓶颈。

针对上述问题，广西科技基地与人才专项等资助的研究团队创新性地将氧空位(OV)工程与S型异质结策略耦合，通过水热-煅烧法制备了TiO₂-O_v/g-C₃N₄(TCN)光催化剂。研究采用二维扰动相关红外光谱(2D-PCIS)实现材料原位表征，结合ESR、DFT计算等手段系统解析了材料构效关系。当TiO₂-O_v含量为30%时，TCN-30在180分钟内实现82.44%的Nap降解率，其性能提升源于三大机制：OV作为电子陷阱抑制载流子复合、S-scheme异质结的界面电场(IEF)促进电荷分离、以及由此增强的ROS生成能力。

关键技术方法
研究通过水热法在g-C₃N₄表面原位生长TiO₂，经煅烧引入氧空位构建异质结。采用2D-PCIS技术解析材料官能团变化，同步-异步光谱分别捕捉750-900 cm^-1(C-N振动)和2520-3780 cm^-1(O-H振动)的特征峰。通过ESR检测OV缺陷和·OH/O₂^-信号，结合电化学测试验证载流子迁移效率，DFT计算阐明能带结构演变规律。

研究结果

1. 化学表征：2D-PCIS同步光谱在810 cm^-1(C-N)和3570 cm^-1(O-H)处出现自相关峰，异步光谱揭示OV引入导致C-N-C键角畸变，证实异质界面化学键重构。

2. 光电性能：莫特-肖特基测试显示TCN-30具有最小半圆半径，表明OV优化了载流子传输；PL光谱强度降低80%，证明S-scheme机制有效抑制电子-空穴复合。

3. 降解机制：LC-MS检测到1,4-萘醌等中间产物，推测降解路径包含·OH攻击芳环和O₂^-介导的开环反应。ECOSAR模型显示中间体毒性降低96%。

结论与意义
该研究通过OV与S-scheme异质结的协同设计，突破了传统TiO₂光催化剂的性能限制。2D-PCIS技术的创新应用为异质结界面研究提供新范式，DFT计算揭示的IEF增强机制(界面电势差达1.78 eV)为材料理性设计提供理论依据。研究成果发表于《Environmental Research》，不仅为PAHs污染治理提供高效解决方案，更推动了半导体缺陷工程与异质结理论的融合发展。