二维/二维/一维异质结MoS2/BiVO4/g-C3N4纳米杂化材料：太阳光催化与染料敏化太阳能电池性能的协同增强机制

为解决有机染料污染治理和太阳能转换效率低的问题，研究人员通过超声辅助水热法构建了2D/2D/1D结构的MoS2/BiVO4/g-C3N4三元纳米杂化材料。该材料在太阳光下对结晶紫（CV）和罗丹明B（RhB）的降解效率分别达98%和96%，作为DSSC对电极时能量转换效率（PCE%）提升至2.48%，较纯MoS2提高2.6倍。研究揭示了Z型（N-P-N）异质结通过改善电荷分离和界面相互作用增强性能的机制，为环境修复与新能源开发提供了新思路。

　　

随着工业废水中有机染料污染加剧和传统能源危机凸显，开发高效、低成本的太阳光催化材料和光伏器件成为研究热点。过渡金属二硫化物（如MoS₂）和铋基半导体（如BiVO₄）虽在光催化领域表现优异，但面临电荷复合率高、可见光吸收范围有限等挑战。而石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为非金属聚合物半导体，其二维结构虽能提供丰富活性位点，但一维形态可能更利于电荷传输。如何通过多维结构设计协同提升材料性能，成为突破现有技术瓶颈的关键。

针对这一科学问题，印度Periyar University的研究团队创新性地将二维MoS₂纳米片、二维BiVO₄纳米片与一维g-C₃N₄纳米棒复合，构建了独特的2D/2D/1D三元异质结。通过超声辅助水热法合成的该材料在《Environmental Technology》发表的研究中展现出双重功能：既能高效降解有机染料，又可作为染料敏化太阳能电池（DSSC）的对电极。

研究团队采用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）验证材料晶体结构和化学组成，紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）测定其光学特性，扫描电镜（SEM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）揭示微观形貌，并结合电化学阻抗谱（EIS）和莫特-肖特基测试分析电荷传输机制。

材料表征与结构分析
XRD显示三元杂化材料在14.45°、26.83°和28.44°出现特征峰，分别对应MoS₂（002）、g-C₃N₄（002）和BiVO₄（112）晶面。HR-TEM观察到g-C₃N₄纳米棒与BiVO₄纳米片均匀分布在MoS₂表面，形成三维互联网络。BET测试表明杂化材料比表面积达73 m²/g，孔隙体积21 cm³/g，为催化反应提供充足活性位点。

光催化性能
在太阳光照射下，三元材料对CV和RhB的降解动力学常数（k₁）分别达0.083和0.076 min^-1，较单一组分提升3倍以上。电子顺磁共振（ESR）捕获到·O₂^-和·OH自由基信号，结合清除剂实验证实Z型机制主导反应过程：g-C₃N₄导带电子还原O₂生成·O₂^-，而BiVO₄价带空穴氧化H₂O产生·OH。

DSSC性能
作为对电极时，三元杂化材料使DSSC的短路电流密度（J_sc）提升至5.54 mA cm^-2，开路电压（V_oc）保持0.713 V。EIS分析显示其电荷转移电阻（R_ct）仅14.89 Ω，表明一维g-C₃N₄有效促进了电子在二维材料界面的传输。

这项研究通过精准设计N-P-N型Z方案异质结，实现了可见光吸收范围拓宽（带隙窄至1.66 eV）与载流子分离效率提升的双重优化。所开发的多维纳米杂化材料不仅为废水处理提供了高效催化剂，也为开发低成本、高效率的第三代太阳能电池开辟了新途径。其创新性在于将不同维度的半导体特性有机结合，通过界面工程实现了性能的协同增强，这对推动绿色能源与环境修复技术的发展具有重要指导意义。