g-C?N?与SnS?纳米片异质结构及其在太阳能光催化降解饮用水中有机污染物和重金属离子方面的潜力

《Current Applied Physics》：Heterostructure of g-C 3N 4 and SnS 2 nanosheets, and its potential in solar photocatalytic degradation of organic pollutants and heavy-metal ions in potable water

　　

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  报告了一种无助催化剂的 SnS₂/g-C₃N₄ 异质结，用于光催化去除重金属离子和染料。
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  在 AM1.5G 太阳辐射下，45 分钟内亚甲基蓝降解率为 6.90%，60 分钟内 Pb²⁺ 去除率为 97.03%。
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  Z 型电荷转移路径确保在 1:1 负载比下重组最低。
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  SnS₂/g-C₃N₄ 异质结被证明是废水处理的一个有前景的候选材料。

引言

当今环境可持续性和能源生产的关键挑战主要在于整合可再生资源和高能效材料，以及解决减少污染和缓解气候变化影响的迫切需要。随着工业活动和城市化的兴起，空气和水污染已成为关键问题。污染和能源危机是迫在眉睫的威胁，需要创新的解决方案。光催化剂提供了一种前进的途径，通过利用太阳能并对化学污染物执行指定的氧化还原活性。半导体光催化剂在水分解和环境污染物降解方面的应用受到了极大的关注。因此，通过工程光催化剂可以有效地解决能源和环境问题。作为一种环境光催化剂，TiO₂ 因其良好的光稳定性、低成本、相对较强的光催化性能和低毒性而被广泛使用。然而，由于宽禁带，TiO₂ 只能吸收太阳光谱中的紫外光子，因此其实际应用受到严重限制。由于紫外光仅占太阳光谱的 4% 左右，需要更多关于光催化的研究来开发响应可见光的基于半导体的光催化剂 [1]。无金属聚合石墨氮化碳作为一种半导体光催化剂正受到越来越多的关注，由于其小禁带和低毒性 [[2], [3], [4]]。碳氮化物还有其他同素异形体，如 α-C₃N₄、β-C₃N₄、立方 -C₃N₄ 和伪 -C₃N₄，每种都有不同的结构和物理性质。然而，g-C₃N₄ 是唯一在自然环境中保持稳定的同素异形体 [5]。由于其具有成本效益的可扩展合成，且在可见光下具有光催化活性，g-C₃N₄ 在可见光下具有活性，禁带约为 2.6 eV。然而，由于其易于团聚、电导率低和电荷载流子快速复合，g-C₃N₄ 在太阳能驱动的光催化活性中表现不佳 [6,7]。为了克服这一缺点并增加 g-C₃N₄ 的光催化活性，已经尝试了几种技术，包括共聚 [8]、纳米结构化、掺入金属和非金属元素以及与其他半导体构建异质结 [9]。开发与其他半导体的异质结或 Z 型是一种克服快速电荷复合的有效方法。异质结中光生载流子宽阔的界面接触面积和相对较低的界面迁移距离促进了光生电子 - 空穴对的分离和传输 [[10], [11], [12]]。另一方面，二硫化锡 (SnS₂) 等过渡金属二硫属化物是引人注目的催化材料，由于其出色的电气特性、可调界面、易于加工、比表面积、可负担性和强化学稳定性而成为广泛研究的主题 [13]。更具体地说，SnS₂ 因其优异的（光）化学稳定性、低毒性、自然元素丰富度和合适的禁带能量而广受欢迎 [14]。Top?u 等人采用水热原位合成方法制备了 SnS₂/g-C₃N₄ 复合材料。在他们的程序中，将 100 毫克 g-C₃N₄ 超声分散在含有 350 毫克 SnCl₂·5H₂O 的 30 毫升乙醇中。随后，加入 325 毫克硫代乙酰胺 (TAA)，并在室温下搅拌 4 小时以确保均匀分散。将所得溶液转移到 50 毫升特氟龙衬里自煮器中，并在 160°C 下进行 18 小时水热处理。自然冷却至室温后，将所得产物在 60°C 下干燥 8 小时，得到 SnS₂/g-C₃N₄ 复合材料 [15]。在后续发展中，他们采用异位合成方法制备 SnS₂/g-C₃N₄ 异质结。在这种方法中，通过超声处理 1 小时将 g-C₃N₄ 分散在乙醇和水的混合溶剂中 (v/v = 2:1, 总体积 300 毫升) 形成均质悬浮液。随后，将预先合成的 SnS₂ 加入到分散液中，并持续搅拌 12 小时。然后将所得悬浮液在 60°C 下干燥以去除溶剂，接着在微波马弗炉中于 300°C 进行 2 小时热处理，以获得 SnS₂/g-C₃N₄ 异质结 [16]。Vien Vo 等人采用异位合成策略制备 SnS₂ 和 g-C₃N₄。在他们的研究中，通过在 500°C 下热处理不同重量比 (1:25, 1:30 和 1:35) 的 SnCl₄ 和硫脲混合物 4 小时来合成 SnS₂。而纯 g-C₃N₄ 是通过在 500°C 下以 10°C/分钟 的加热速率直接热聚合硫脲 4 小时合成的 [17]。在可用的合成策略中，原位水热方法通常因其简单性、可扩展性和对 SnS₂ 纳米片形成的有效控制而受到青睐。在本研究中，采用水热方法在 g-C₃N₄ 上原位生长 SnS₂ 来制备 SnS₂/g-C₃N₄ 异质结。系统地优化了 SnS₂ 在 g-C₃N₄ 上的负载量，以实现优异的光催化性能。使用 X 射线衍射 (XRD)、拉曼光谱、场发射扫描电子显微镜 (FE-SEM) 和光致发光 (PL) 光谱等技术对所得光催化剂的结构、形貌和光学性质进行了表征。最优负载的 SnS₂/g-C₃N₄ 异质结与原始 g-C₃N₄ 相比，在可见光下表现出显著增强的亚甲基蓝 (MB) 光催化降解和重金属离子如 Pb²⁺ 的还原能力，这是通过光谱学和电感耦合等离子体发射 (ICPOES) 光谱法确定的。通过基于密度泛函理论 (DFT) 的方法提供了光催化的机理见解。

章节摘要

化学品

所有化学品均直接使用，未进一步纯化。从 Sigma Aldrich 购买的试剂包括三聚氰胺 (C₃H₆N₆, ≥99%)、锡 (VI) 氯化物五水合物 (SnCl₄*5H₂O, ≥98%)、硫代乙酰胺 (TAA, ≥99%)、硝酸铅 (Pb(NO₃)₂ ≥99%)、乙醇 (C₂H₅OH ≥ 99%)、亚甲基蓝 (C₁₆H₁₈ClN₃S, 水溶液)，均购自 Sigma Aldrich (印度)。去离子水 (18.25 MΩ) 用于光催化性能测试。

材料与方法

块状 g-C₃N₄ 是通过三聚氰胺热解制备的。大约 3 克

结构和形貌分析

图 1(a) 表示 g-C₃N₄、SnS₂ 和 SnS₂/g-C₃N₄ 复合材料 (在不同前驱体/重量比下) 的 XRD 图谱。原始 g-C₃N₄ 在 2θ ≈ 12.89° 和 27.49° 处显示出两个特征衍射峰，分别对应于三嗪单元的面内结构周期性和共轭芳环层的层间堆积的 (001) 和 (002) 平面 [20]。SnS₂ 的衍射图谱与标准相符

结论

总之，通过原位水热方法成功合成了 g-C₃N₄/SnS₂ 异质结，通过控制 g-C₃N₄ 含量的变化来调节 SnS₂ 纳米片的密度和分布。良好集成的 2D/2D 结构的形成，其特征是 SnS₂ 对 g-C₃N₄ 的均匀包裹，显著增强了界面接触并促进了有效的电荷转移。在制备的样品中，比例为 1:1 重量比的 SnS₂/g-C₃N₄ 复合材料表现出

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢来自古吉拉特科学和技术委员会 (GUJCOST)、印度古吉拉特邦科学与技术研究部 的资金，项目编号为 GUJCOST/STI/23-24/267 和 GUJCOST/STI/24-25/4051。BP 感谢在上述项目下的高级研究奖学金。作者感谢 PDEU 太阳能研究与开发中心 (SRDC) 提供 XRD 和 FE-SEM 设施。印度贾瓦哈拉尔·尼赫鲁先进科学研究中心 (JNCASR) 深表

Bindiya Patel|Devanshi Zala|Nikita Thakkar|Abhijit Ray