在高岭石纳米片上原位组装分散良好的TiO2纳米粒子/MoS2纳米片异质结构，以实现优异的光催化活性

《Applied Clay Science》：In situ assembly of well-dispersed TiO2 nanoparticle/MoS2 nanosheet heterostructures on kaolinite nanoflakes for excellent photocatalytic activity

　　

李晓宇|马慧|常旭文|高新梦|彭康

中国西安长安大学材料科学与工程学院，邮编710064

摘要

光催化在有机废水处理领域具有广阔的应用前景。然而，光催化剂面临诸多挑战，如光利用效率低、易聚集以及成本高等问题。本文采用沉淀-水热两步法制备了以片状高岭石为载体的TiO₂纳米粒子/MoS₂纳米片异质结构（FK/TiO₂/MoS₂）。MoS₂/TiO₂异质结构拓宽了光吸收范围并抑制了载流子复合，从而提升了光催化性能。高岭石纳米片丰富的表面羟基基团增强了TiO₂/MoS₂异质结构的水亲和性和水溶性，通过吸附作用协同促进了光催化降解。FK/TiO₂/MoS₂对罗丹明B、亚甲蓝和甲基橙的降解效率显著提高，降解过程遵循一级动力学。其中，5分钟内罗丹明B的降解率达到了84.3 ± 3.0%，优于MoS₂（36.4 ± 2.8%），且在黑暗条件下30分钟后仅损失2.59%，经过两次紫外光照后仅损失3.67%。本研究展示了高性能、低成本粘土矿物基光催化复合材料在有机废水处理领域的应用潜力。

引言

尽管现代科技进步极大地提高了生活水平，但也带来了严重的环境和可持续性挑战。污染物对人类健康的危害以及不可逆的环境破坏不容忽视（Zhou等人，2021；Ran等人，2025；Zhang等人，2025）。环境污染物主要分为四类：挥发性有机化合物、酚类化合物、持久性有机污染物和消毒副产物。这些化合物具有生态毒性（Verma等人，2023；Zhou等人，2025），对人类健康、生态系统和长期社会发展构成严重威胁。纺织业每生产一吨织物需消耗100–200吨淡水，其中大部分成为废水，并释放出持久性有机染料，导致COD浓度达到15–210 mg/L、TDS浓度达到340–1920 mg/L（Sayam等人，2025）。这些废水对地下水质量构成严重威胁，主要源于其有毒有机成分、明显的颜色以及难以生物降解和传统处理（Hamdan等人，2024）。近年来，研究人员开发了多种污染物去除方法，包括超滤、吸附、混凝和生物处理（Zhong等人，2025；Li等人，2026b）。尽管这些方法在污染控制方面有效，但需要后续处理，占用大量空间，且成本高昂、效率低下。作为一种环保策略，生物处理（Bhat等人，2026）在达到法定排放标准方面耗时较长，且在脱色和去除有毒化合物方面效果不佳；部分生物降解甚至可能产生有毒芳香胺和酚类物质，造成二次污染。此外，其实际应用受到高运营成本、二次污染产生和降解不完全等固有缺陷的限制（Periyasamy等人，2024；Syed等人，2024；Ahmad Ramli等人，2025）。

自Fujishima首次发现光催化作用以来（Molaei，2024），利用太阳能驱动的氧化还原反应高效去除环境污染物已成为重要的研究方向（Tang等人，2022）。近期研究重点关注传统催化剂的局限性，如吸收光谱窄、电荷转移速率慢、可回收性有限、成本高和能耗大（Das等人，2025）。作为经济可行的光催化剂，TiO₂具有优异的化学稳定性和显著的光催化活性，可促进多种有机化合物的降解（Cui等人，2025；Santos等人，2025）。然而，其实际应用受到约3.2 eV宽带隙的限制，导致光吸收主要集中在紫外区域，从而降低利用效率。这一问题因光生载流子的快速复合和纳米材料的聚集倾向而加剧（El-Sabban等人，2025）。构建异质结和支持载体材料是提高光利用效率和抑制聚集的有效方法（Khorasanipour等人，2023；Guo和Ma，2024）。

二维纳米材料具有优异的物理化学性质，在原子尺度厚度下具有高比表面积（Li等人，2023；Kumar等人，2024；Nguyen等人，2025）。MoS₂具有层状纳米结构，Mo原子夹在两个六方密排的硫层之间（Xu等人，2023；Chandra Sekhar等人，2024），边缘的未配位硫原子作为活性位点（Peng等人，2025；Sasikala等人，2025）。因此，提高MoS₂催化性能的可行策略是构建纳米结构以最大化边缘活性位点的暴露（Jiang等人，2024；Li等人，2026c）。与主要响应紫外光的TiO₂不同，MoS₂具有优异的可见光吸收能力（Li等人，2026c）。构建MoS₂/TiO₂异质结构可拓宽光吸收范围并抑制光生载流子的复合（Zhou等人，2024；Aliaga等人，2025；Han等人，2025a），从而提升光催化性能（Hoseini和Yarmand，2024；Wang等人，2024；Yue等人，2024；Ali等人，2025）。这种异质结构的带隙缩小至1.25–1.66 eV，使在模拟太阳光照射下的污染物降解效果显著优于原始TiO₂（Shahid等人，2024）。

粘土矿物因其优异的水亲和性、强吸附能力和低成本而被广泛用作吸附剂或催化剂载体（Li等人，2025b；Zhao等人，2025；Li等人，2026a）。高岭石属于三斜层状硅酸盐矿物（Li等人，2018），具有1:1型空间结构，由硅中心四面体和铝中心八面体组成。它是一种廉价的粘土矿物，广泛应用于涂料、油墨、陶瓷、塑料、纸张和废水处理等领域（Duman等人，2012）。高岭石含有吸附水、层间水、结晶水和丰富的表面羟基（Zhao等人，2021），并可沿（001）平面容易地分裂成薄片。这些特性赋予高岭石纳米片二维形态、良好的水亲和性和高比表面积，使其适合作为水相光催化反应的载体（Huang等人，2024）。在之前的研究中，将MoS₂纳米片负载在高岭石矿物上，有效提升了复合材料的亲水性并暴露了催化活性位点（Peng等人，2021）。此外，二维纳米片相比一维纳米棒和纳米管具有更多优势。

本研究通过两步沉淀-水热法制备了以片状高岭石为载体的MoS₂纳米片和TiO₂纳米粒子的三元复合材料（FK/TiO₂/MoS₂）。TiO₂和MoS₂之间的异质结有效扩展了光催化剂的吸收范围并抑制了光生电子-空穴对的复合。由于高岭石表面丰富的羟基基团，复合材料具有优异的水亲和性，促进了TiO₂/MoS₂纳米异质结构的水溶性。同时，高岭石的吸附性能提升了整体光催化降解性能。研究了FK/TiO₂/MoS₂对罗丹明B、亚甲蓝和甲基橙等有机染料的降解效率，并探讨了降解动力学。这项工作展示了高性能、低成本粘土矿物基光催化复合材料在有机废水处理方面的应用潜力。

章节片段

材料

天然片状高岭石（FK）购自中国苏州高岭土有限公司。其主要成分（重量百分比）为：SiO₂ 53.27%、Al₂O₃ 42.46%、Fe₂O₃ 0.48%、TiO₂ 0.33%、K₂O 0.54%、CaO 0.09%、MgO 0.16%、P₂O₅ 0.26%和SO₃ 2.19%。其他试剂购自新华药业试剂有限公司。所有试剂均为分析级，无需进一步纯化。所有实验均使用无水乙醇（99.5%）。

FK/TiO₂/MoS₂的合成

FK/TiO₂/MoS₂纳米复合材料的制备过程如下：

催化剂的制备

结论

总之，通过将MoS₂纳米片锚定在TiO₂改性的高岭石纳米片上，成功制备出了高性能的FK/TiO₂/MoS₂三元复合光催化剂。结构和光谱分析证实形成了明确的MoS₂/TiO₂异质结，有效调节了带结构并抑制了载流子复合，从而扩展了光吸收范围并提升了光催化活性。高岭石的加入显著...

CRediT作者贡献声明

李晓宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，方法学，概念设计。马慧：撰写 – 原稿，实验研究，数据分析。常旭文：实验研究，数据分析。高新梦：实验研究。彭康：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法学。

利益冲突声明

致谢

多孔金属材料国家重点实验室（PMMSKL-ZZYJ-2025-08）、国家自然科学基金（51704030、51804242）、本科生创新创业培训计划（S202510710351、S202510710378）的支持。感谢西安交通大学仪器分析中心的Shiyanjia实验室（www.shiyanjia.com）和Chenyu Liang在样品表征方面的支持。