《Inorganic Chemistry Communications》：Rational design of an S-scheme 1D/2D V?O?/MoSe? heterojunction for MBT photocatalytic degradation: coupling experimental and RSM–ANN optimization
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摘要为了解决水分解及污染物去除方面的难题，研发高效且不含贵金属的电催化剂与光催化剂对于实现可持续能源生产与环境治理至关重要。本研究采用简单廉价的水热法制备了V?O?/MoSe?异质结构。通过UV–Vis DRS、XRD、FT-IR、FE-SEM、TEM和XPS等技术，分析了所制备
摘要 为了解决水分解及污染物去除方面的难题，研发高效且不含贵金属的电催化剂与光催化剂对于实现可持续能源生产与环境治理至关重要。本研究采用简单廉价的水热法制备了V?O?/MoSe?异质结构。通过UV–Vis DRS、XRD、FT-IR、FE-SEM、TEM和XPS等技术，分析了所制备纳米材料的光学、形态及结构特征。该V?O?/MoSe?纳米复合材料展现出优异的降解性能，在120分钟内即可使MBT降解约92%，且经过五次循环后仍保持良好稳定性。研究还运用响应面法与人工神经网络优化了影响MBT降解的因素。该复合材料可作为S型异质结光催化剂，同时通过DFT计算研究了其降解机理。此外，电化学活性表面积及电化学阻抗谱实验表明，该复合材料的阻抗响应降低，这主要得益于中间频率处的弛豫现象以及中间体的吸附作用，进而提升了其光催化活性。本研究表明，将硫属化物半导体与金属氧化物结合形成异质结构体系，可有效应用于光催化领域。
引言 城市化、工业化以及全球人口的增长正在加速引发环境问题与能源需求。应对环境挑战与全球能源问题的一个方法便是利用基于可再生、环保能源的技术[1]，这样的途径有望带来清洁且可持续的未来。随着全球对清洁能源及可持续发展实践的需求不断增加，人们开始关注那些能够同时解决能源与污染问题的多功能材料[2]、[3]。2-巯基苯并噻唑是一种重要的环境污染物，它常出现在橡胶工业、纺织染色以及农药生产过程中[4]、[5]。接触MBT可能会引发过敏反应，影响呼吸系统与皮肤健康，出现头痛、恶心、呕吐等症状。世界卫生组织已将MBT列为可能的致癌物（2A类），这意味着即便低剂量暴露也可能对健康造成危害[6]、[7]。在水中，MBT中的巯基会破坏蛋白质结构，因此对鱼类、藻类等水生生物具有极高毒性[7]、[8]。目前，废水处理方法有多种，包括依靠微生物作用的生物降解法、反渗透等膜分离技术、高级氧化工艺，以及电凝聚等电化学处理技术[9]、[10]、[11]。然而，传统的废水处理技术往往无法彻底清除这类难降解的有机污染物，这就凸显出需要更高效的先进氧化处理方法的必要性[12]。
近十年来，半导体材料在光催化和水分解电催化领域的应用日益增多。在光催化系统中，催化剂吸收光能后会产生电子-空穴对，进而引发氧化还原反应，将氧气和水转化为活性氧或过氧化氢。基于半导体的光催化技术因其高效性与可持续性而备受重视。在这些过程中，关键在于开发出具备高催化活性、优异耐久性及选择性的功能材料[13]、[14]、[15]。在此背景下，TiO?、Fe?O?、碳基纳米材料及其复合材料等纳米结构材料在环境与能源领域展现出巨大应用潜力[16]、[17]、[18]。纳米结构功能材料之所以受到广泛关注，是因为它们具有出色的化学与物理性质。通过改变这些材料的尺寸、形状或表面特性，可以进一步调控其性能。近年来，这类纳米材料因其在多种应用中的潜力而备受重视[19]。尤其是五氧化二钒这一新型纳米材料类别，因其出色的稳定性以及优异的光催化与电催化性能，已成为一种极具前景的选择[20]。氧化钒是一种极具潜力的水处理用半导体，它能够吸收光能，具有约2.3电子伏特的窄带隙，并且化学性质稳定[21]。
正是由于这些特性，V?O?催化剂在降解有机污染物方面具有出色的光催化效果[22]。例如，Sattar H. Abed与Ali H. Reshak采用共沉淀法制备了V?O?纳米颗粒，经可见光照射100分钟后，甲基紫的降解率可达85%[23]。同样，La等人通过水热法制备了V?O?纳米片，在可见光作用下150分钟内即可使亚甲蓝降解97.96%[24]。最新的研究致力于有针对性地设计并构建V?O?微纳结构，因为催化剂表面可以产生活性氧物种。不过，由于V?O?的带隙能量较小，其在光照条件下电子与空穴容易重新结合。为了解决这一问题，可将V?O?与合适的半导体材料结合使用[25]、[26]、[27]。含硫与硒的硫属化合物在这一领域表现出优异的性能。在各类辅助催化剂纳米材料中，层状金属硫属化物，如MoS?、WS?、In?S?、MoSe?和WSe?，因其独特的结构与电子特性而备受关注。这类材料具有强烈的光-物质相互作用、较宽的带隙（从可见光区域延伸至近红外区域）、原子级厚度以及量子限制效应，正因如此，它们被广泛用于光催化与电催化领域[28]、[29]、[30]、[31]。
本研究采用了一种二元催化剂体系，即将MoSe?引入V?O?骨架中。MoSe?是一种具有优异电子与光学特性的二维化合物，将其应用于V?O?催化剂上后，能够优化电子传输路径并提升电子-空穴分离效率，从而显著提升催化剂在能源转换与污染物去除方面的性能。这种V?O?修饰的MoSe?纳米复合材料体系为催化剂研发带来了重大突破，为解决可持续能源与环境问题提供了实用方案。现有研究显示，异质结结构能够显著改善电荷分离效果。Roy等人（2025年）通过水热法制备了MoSe?/V?O?纳米复合材料，在紫外光作用下9小时内即可使罗丹明B降解80%[32]。据我们所知，目前尚未有研究将V?O?/MoSe?复合材料用于MBT的光催化降解，因此本研究是其首次在该领域的应用。为进一步了解异质结的形成机制与路径，我们对MoSe?与V?O?的能带结构进行了计算分析。
章节节选 V?O?纳米棒的合成 V?O?纳米棒是通过一步水热法制备的。首先，将50毫升去离子水与5毫摩尔铵偏钒酸酯以及10毫摩尔草酸混合，得到前驱体溶液。随后将混合液置于磁力搅拌器中搅拌12小时，直至盐类完全溶解。之后，取50毫升该前驱体溶液倒入内衬特氟龙的100毫升高压反应釜中，置于180摄氏度下反应24小时，待样品自然冷却后
结构分析 图1a展示了样品的制备流程。图1b则显示了所制备纳米材料的XRD图谱。合成得到的V?O?的衍射图呈现出正交晶系的特征，其衍射峰出现在2θ值为15.12、20.04、21.54、25.97、30.82、32.17、34.17、41.03、45.31、47.17、51.02以及60.93度处。这些衍射峰对应于正交晶系的特定晶面，其索引与标准JCPDS卡片编号00-41-1426所记载的正交晶系数据一致
结论 综上所述，本研究中所制备并测试的V?O?/MoSe?纳米复合材料在多种应用领域都具有巨大潜力，尤其是在MBT的光催化降解方面表现突出。该复合材料是通过水热法制备的，随后被涂覆在碳布上，通过三电极体系研究了其电化学性质。实验结果表明，该纳米复合材料在可见光作用下能够高效降解MBT，降解率可达92%
作者贡献说明 Ravichandran Manjupriya： 撰写与编辑、实验研究、概念构思。Gomathi Vinayakam Mageswari： 可视化处理、正式分析、数据整理。Raguram Thangavel： 实验研究、正式分析、数据整理。Aditya Mosur Nagarajan： 撰写与编辑、可视化处理。Shobana Muthusamy： 正式分析、数据整理。Francisco Herrera Diaz： 监督工作、资源提供。Mahesh Ganesapillai： 正式分析、数据整理。Thangapandi Chellapandi： 监督工作、软件支持
利益冲突声明 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢 Raguram Thangavel与Francisco Herrera Diaz感谢智利ANID/Chile在FONDECYT博士后项目3250247中的资助，同时也感谢智利圣地亚哥大学（USACH）的支持。
Ravichandran Manjupriya 是印度泰米尔纳德邦坎奇普拉姆SCSVMV大学化学系的助理教授。她于2025年在维洛尔VIT大学获得化学博士学位。她的研究兴趣涵盖纳米材料、光催化、有机转化以及环境修复等领域。她已在多家国际知名同行评审期刊上发表超过10篇研究论文，并在多个国内学术会议上展示过自己的研究成果
Ravichandran Manjupriya|Gomathi Vinayakam Mageswari|Raguram Thangavel|Aditya Mosur Nagarajan|Shobana Muthusamy|Francisco Herrera Diaz|Mahesh Ganesapillai|Thangapandi Chellapandi|Dayu Li
中国江苏省扬州市扬州大学机械工程学院，邮编225009
