TiO2-MoS2二维纳米结构协同增强有机污染物光催化降解机制研究

本研究针对TiO2光催化剂可见光响应差、载流子复合率高的瓶颈问题，通过水热法构建单晶少层MoS2/TiO2异质结构，实现94.45%结晶紫（CV）紫外光下降解率。该工作为设计高效稳定的工业废水处理材料提供了新思路。

　　

随着全球清洁能源需求激增和环境恶化，半导体光催化技术因其兼具太阳能转化与污染物降解的双重功能备受关注。在众多光催化材料中，二氧化钛(TiO₂)虽具有稳定性高、成本低等优势，但其仅能响应占太阳光谱4%的紫外光，且光生电子-空穴对易复合，严重制约实际应用。与此同时，二维过渡金属二硫化物二硫化钼(MoS₂)因其可调带隙(1.1-1.8 eV)和优异可见光吸收特性成为研究热点，但块体MoS₂存在比表面积低、层间堆叠等问题。

为解决上述挑战，赛维达工程学院的研究团队创新性地采用单晶少层MoS₂作为基底，通过水热法构建了TiO₂纳米颗粒均匀修饰的MoS₂/TiO₂异质结构。研究发现，这种特殊结构不仅扩展了光吸收范围，更通过能带匹配实现了超快电荷分离。在紫外光照射下，该复合材料对结晶紫(CV)的降解率高达94.45%，远超纯TiO₂。相关成果发表在《Surfaces and Interfaces》上，为工业废水处理提供了新型高效材料。

研究采用水热合成法制备复合材料，通过X射线衍射(XRD)确认晶体结构，场发射扫描电镜(FE-SEM)和透射电镜(TEM)表征形貌，紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析光学性质，电子自旋共振(ESR)检测活性氧物种。以CV为模型污染物评估光催化性能，并结合捕获实验阐明反应机制。

X射线衍射研究
XRD图谱显示复合材料同时存在MoS₂的(002)晶面特征峰和TiO₂的锐钛矿相衍射峰，证实成功构建异质结。少层MoS₂的(002)峰半高宽增大，表明其层数减少，这与TEM观察到的3-5层结构一致。

形貌与元素分析
FE-SEM显示TiO₂纳米球(20-30 nm)均匀锚定在MoS₂纳米片表面，EDAX谱证实Ti、Mo、S、O元素均匀分布。高分辨TEM观察到清晰的晶格条纹，MoS₂的(100)晶面间距0.27 nm与TiO₂的(101)晶面间距0.35 nm形成紧密界面，有利于电荷传输。

光学性质与能带结构
UV-Vis DRS显示复合材料吸收边红移至可见光区，带隙从纯TiO₂的3.2 eV降至2.8 eV。莫特-肖特基测试表明MoS₂的导带位置(-0.12 V)高于TiO₂(-0.29 V)，这种II型异质结促进电子从MoS₂向TiO₂转移。

光催化性能
在pH=7、催化剂用量1 g/L条件下，复合材料60分钟内降解94.45% CV，速率常数是纯TiO₂的3.2倍。循环5次后活性仅下降7.3%，显示优异稳定性。ESR检测到强·O₂^-信号，捕获实验证实该自由基是降解主要活性物种。

该研究通过精确控制MoS₂层数和界面结构，成功构建了高效稳定的MoS₂/TiO₂光催化体系。其创新性体现在：首次采用单晶少层MoS₂作为载体，克服了传统复合材料界面缺陷多的问题；通过能带工程实现可见光响应和快速电荷分离；阐明了·O₂^-主导的反应机制。这项工作不仅为有机废水处理提供了新材料，更为设计高性能异质结光催化剂提供了理论指导，具有重要的环境与能源应用价值。