Cu3XS4(X=Fe,Sn)/掺杂还原氧化石墨烯复合材料的电催化析氢与光催化降解污染物性能研究

本研究针对清洁能源与环境修复需求，通过水热法制备Cu3XS4(X=Fe,Sn)纳米颗粒，并修饰N/B掺杂还原氧化石墨烯(rGO)。结果表明，氮掺杂体系(T-N/rGO)在可见光下对亚甲基蓝降解效率达71%，电催化析氢过电位低至269 mV，揭示了掺杂调控能带结构与活性位点的协同机制，为绿色催化剂设计提供新思路。

　　

随着全球能源危机与环境问题加剧，开发高效清洁能源转换与环境修复技术成为当务之急。氢能因其高能量密度和零碳排放特性被视为理想能源载体，但传统铂基催化剂成本高昂；同时，工业废水中有机污染物（如亚甲基蓝）的难降解性对生态系统构成严重威胁。尽管TiO₂和ZnO等光催化剂已被广泛应用，但其宽禁带宽度导致仅能利用紫外光，且载流子复合率高。铜基硫化物因其可调带隙、低成本及低毒性成为替代材料，但存在稳定性差、活性位点不足等问题。

针对上述挑战，印度卡鲁尼亚理工学院（Karunya Institute of Technology and Sciences）的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表论文，系统研究了Cu₃XS₄(X=Fe,Sn)与掺杂还原氧化石墨烯(rGO)复合材料的协同效应。通过水热法合成Cu₃SnS₄(T)和Cu₃FeS₄(F)纳米颗粒，并分别与rGO、硼掺杂rGO(B/rGO)、氮掺杂rGO(N/rGO)复合，利用XRD、SEM、TEM等技术表征材料结构，结合电化学测试与光催化实验揭示性能提升机制。

主要技术方法
研究采用水热法制备Cu₃XS₄纳米颗粒，通过改良Hummers法制备rGO及N/B掺杂衍生物。结构表征使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)；光学性能通过光致发光谱(PL)和紫外-可见漫反射谱(UV-DRS)分析；电化学测试包括循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和双电层电容测量；光催化实验以亚甲基蓝为模型污染物，在可见光下评估降解效率。

研究结果

结构研究
XRD证实Cu₃SnS₄主峰与标准卡片(JCPDS 33-0501)匹配，但存在CuS杂相；Cu₃FeS₄呈现立方晶系特征。掺杂rGO后材料结晶度提高，且氮掺杂显著抑制杂质相形成。

光电性能
UV-DRS显示Cu₃SnS₄带隙为1.5 eV，Cu₃FeS₄为1.8 eV。PL光谱表明N/rGO复合体系载流子复合率最低，归因于石墨烯的电子受体作用及氮掺杂引入的活性位点。

光催化降解
在可见光照射下，T-N/rGO和F-N/rGO对亚甲基蓝的降解效率分别达71%和70%，优于未掺杂体系。动力学分析表明反应符合准一级模型，氮掺杂通过增强可见光吸收与电荷分离效率提升性能。

电催化析氢
线性扫描伏安(LSV)测试显示，T-N/rGO在10 mA/cm²电流密度下的过电位为269 mV，塔菲尔斜率仅98 mV/dec。EIS证实其电荷转移电阻最低，双电层电容显示电化学活性表面积显著增加。

结论与意义
该研究证实氮掺杂rGO可同步提升Cu₃XS₄的电催化与光催化性能：通过形成Cu-N-C键增强电子传导，硫空位与氮活性位点协同降低反应能垒。Cu₃SnS₄/N/rGO兼具低成本与高效性，其过电位接近部分贵金属氧化物催化剂，而光催化效率超越传统TiO₂体系。这项工作为设计多功能环境材料提供了新策略，通过原子级掺杂调控界面电子结构，推动清洁能源与废水处理技术的实用化进程。