WS2@TiO2/Soot纳米复合材料的协同染料降解、光催化产氢与抗菌应用研究

本研究开发了一种新型多功能WS2@TiO2/Soot纳米复合材料，通过构建Z型异质结显著拓展可见光响应范围，实现30分钟内95.25%的甲基蓝降解效率，并展现5.89 mmol·h-1·g-1的产氢速率及100%的广谱抗菌效果，为环境修复和能源转化提供创新解决方案。

　　

亮点

材料

采用TiO₂纳米颗粒（P25 – AEROXIDE?）、氢氧化钠（NaOH, SPECTROCHEM）和二硫化钨（WS₂, 99.9%纯度）等试剂，所有实验均使用超纯水（Millipore）进行。

物性测量

通过傅里叶变换红外光谱等技術对材料进行表面表征。

锐钛矿型TiO₂纳米颗粒的合成

将0.5g TiO₂颗粒分散于30mL 10M NaOH溶液中，室温搅拌2小时后，再经超声波处理（40kHz, 350W）2小时，离心收集沉淀并60°C干燥24小时。

烟灰的合成

通过蜡烛燃烧收集烟灰颗粒。

PXRD分析

图1显示样品的XRD图谱，（002）、（100）、（103）和（110）衍射峰与2H-WS₂标准卡片（PDF#84-1398）吻合，同时出现锐钛矿TiO₂特征峰，WS₂@TiO₂/Soot谱图显示所有TiO₂锐钛矿峰与WS₂峰存在轻微位移。

光催化活性测量

通过甲基蓝（MB）降解评估材料性能，暗处理30分钟达到吸附平衡后，用UV灯照射并通过UV-vis光谱监测降解过程。

pH对光催化性能的影响

溶液pH显著影响降解效率：酸性条件下催化剂表面质子化，与阳离子MB染料产生静电排斥；中性至碱性条件下表面带负电，增强MB吸附，pH=9时达到最佳降解效果。

染料降解动力学曲线

通过-ln(C_t/C₀)与时间关系曲线计算表观速率常数（k_app），直线关系证实MB脱色遵循准一级动力学，相关系数（R²）和k_app值表明WS₂@TiO₂/Soot具有最高反应速率。

清除剂测试

使用异丙醇（•OH清除剂）、苯醌（O₂•^-清除剂）和EDTA-2Na（h⁺清除剂）评估活性物种作用，发现空穴（h⁺）是主要降解驱动力。

机制解析

WS₂和TiO₂的带隙分别为2.0eV和3.2eV，价带边电位分别为1.11V和2.9V，导带边电位分别为-0.9V和-0.3V。能带结构表明电子通过Z型路径转移：TiO₂的电子与WS₂的空穴复合，保留强还原性WS₂电子和强氧化性TiO₂空穴，烟灰作为电子介质增强电荷分离。

光催化剂的稳定性与可重复使用性

连续五次循环实验显示催化剂保持显著活性，轻微活性下降源于回收损失和表面污染，表明材料具有良好稳定性。

光催化产氢实验

以Na₂S和Na₂SO₃为牺牲剂，在太阳辐射（λ>250nm）下评估WS₂@TiO₂/Soot的产氢性能，使用UV截止滤光片（λ>420nm）确保可见光驱动，20mg催化剂在50mL去离子水中产生5.89mmol·h^-1·g^-1的氢气且无饱和现象。

WS?@TiO?/Soot（WTS1）的抗菌活性测定

对革兰阴性菌（大肠杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌）和革兰阳性菌（金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌）进行抗菌斑点试验，1mg WTS1粉末在253nm和365nm紫外照射下所有时间点（24/48/72小时）均实现100%径向菌落生长抑制。

结论

WS?辅助的TiO?/烟灰（WTS）纳米复合材料作为一种新型多功能光催化剂，在环境和生物医学领域展现卓越性能。通过WS?（可见光响应二维半导体）与UV活性TiO?及碳质烟灰的战略整合，形成协同系统克服传统光催化剂固有局限。该复合系统通过异质结形成显著增强电荷载流子分离，拓展光吸收范围至可见区域，并利用烟灰的电子中介特性强化整体光催化效率。