通过0D/2D/2D异质结构中耦合吸附富集与界面电荷转移增强甲醛去除

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced formaldehyde removal via coupled adsorption enrichment and interfacial charge transfer in a 0D/2D/2D heterostructure

　　

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  构建了0D/2D/2D异质结构用于高效去除甲醛
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  Ti₃C₂T_X实现污染物富集和快速界面电荷迁移
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  分级结构增强了可见光吸收和界面电荷分离效率
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  类S型电荷转移通道促进了活性氧物种（ROS）的高效生成

引言

挥发性有机化合物（VOCs）是室内空气污染物的主要类别之一，对人体健康和环境空气质量构成严重威胁[1]、[2]。其中，甲醛是最普遍且危害最大的种类之一，因为它会不断从建筑材料、纺织品、家具、胶粘剂和涂料中释放出来。长期暴露于甲醛中已被证实与呼吸道刺激、免疫系统紊乱甚至致癌效应有关[3]、[4]。因此，高效去除气态甲醛已成为室内空气净化领域的重要挑战。传统的甲醛去除技术，包括吸附和热催化，往往存在二次污染、高能耗或复杂的再生过程等固有局限性。相比之下，基于半导体的光催化技术因其能够利用太阳能或可见光产生活性氧物种（ROS），在温和条件下将VOC分子氧化为环境友好型产物（CO₂和H₂O），已成为一种颇具吸引力的替代方案[5]、[6]、[7]。因此，开发具有改善光利用率和ROS生成能力的高效光催化剂，在甲醛降解领域引起了广泛关注。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其无金属特性、优异的化学稳定性和有利的能带结构，已成为一种极具吸引力的光催化材料[8]、[9]。值得注意的是，g-C₃N₄的导带足够负，能够活化分子氧并产生超氧自由基（·O₂^-）[10]、[11]，这在甲醛分子的氧化过程中起着关键作用。此外，二维（2D）g-C₃N₄纳米片具有较短的载流子扩散距离和较大的暴露表面积，为界面光催化反应提供了优势[12]、[13]。然而，原始g-C₃N₄通常存在几个固有的局限性，包括可见光响应受限、光生载流子严重复合以及用于污染物吸附和活化的活性位点不足。这些局限性显著制约了其在空气净化应用中的光催化效率。构建半导体异质结已被证明是克服这些缺点的理想方法。通过将g-C₃N₄与具有合适能带对齐的另一种半导体相结合，可以改善光生载流子的空间分离，从而提高光催化性能[14]、[15]。特别是，异质结构的维度架构对电荷转移行为有强烈影响[16]、[17]。与传统的块体材料相比，多维结构可以提供更大的接触面积和更短的载流子迁移路径[18]、[19]。将零维（0D）纳米颗粒与2D纳米片集成可以产生丰富的表面活性位点并建立紧密的界面接触，从而加速电荷转移并促进界面反应[20]、[21]。因此，调节组分的维度为改善光催化性能提供了一条有效的途径。

除了电荷传输外，气态污染物的吸附和富集也是影响光催化效率的重要因素[6]、[22]。对于低浓度的气态甲醛，在催化位点附近实现高效捕获和积累有利于提高局部反应物浓度并促进界面反应。因此，引入具有强吸附能力和快速电子传输特性的导电材料是非常理想的。近年来，Ti₃C₂T_X MXene因其金属导电性、二维层状结构和丰富的表面官能团，作为光催化体系中的功能材料引起了越来越多的关注[23]、[24]。Ti₃C₂T_X优异的导电性可以加速电子提取和传输，从而抑制半导体体系中的电荷复合。同时，Ti₃C₂T_X亲水的表面和丰富的端基促进了甲醛和水分子的吸附。这些特性表明，Ti₃C₂T_X可以同时改善污染物富集和界面电荷转移过程，使其成为光催化去除甲醛的一种极具吸引力的组分。

基于上述背景，本工作通过合理设计构建了一种具有0D/2D/2D结构的多维SnS₂/g-C₃N₄/Ti₃C₂T_X光催化剂，用于高效去除气态甲醛。将SnS₂纳米颗粒锚定在g-C₃N₄纳米片上以建立紧密的半导体界面，而Ti₃C₂T_X纳米片则作为导电载体和吸附平台。这种分级结构有望在单一系统中整合增强的污染物富集、加速的界面电子传输和高效的ROS生成。系统地研究了光催化性能、电荷转移行为和活性物种生成途径。本工作为将吸附富集与界面电荷调控相结合用于光催化净化空气污染物提供了有益的见解。

章节摘要

SnS₂/g-C₃N₄/Ti₃C₂T_X复合材料的制备

本工作所用原材料详见补充材料。薄层Ti₃C₂T_X通过LiF/HCl刻蚀法选择性去除Ti₃AlC₂中的Al原子层而获得[25]。同时，基于三聚氰胺前驱体通过热聚合-超声剥离策略制备了g-C₃N₄纳米片[26]。详细制备步骤见补充材料。随后，将35 mg SnCl₄·5H₂O加入g-C₃N₄

形貌与物理结构

首先通过SEM和TEM对催化剂材料的形貌和微观结构进行了考察。原始g-C₃N₄（图1a）呈现纳米片形貌，具有松散堆叠的层状结构和丰富的孔隙，这些孔隙源自三聚氰胺热聚合过程中的气体释放。层状结构可以有效暴露丰富的可及表面活性位点，同时缩短扩散路径，从而促进催化过程中的质量传输。Ti₃AlC₂ MAX相呈现出

结论

本工作通过水热自组装策略成功构建了一种三元SnS₂/g-C₃N₄/Ti₃C₂T_X异质结构光催化剂，并应用于甲醛的高效光催化去除。微观和结构分析表明，SnS₂纳米颗粒优先锚定在g-C₃N₄纳米片上，而Ti₃C₂T_X纳米片与SnS₂/g-C₃N₄复合材料紧密集成，形成具有增大比表面积和丰富的0D/2D/2D结构

CRediT作者贡献声明

Mingzhu Pan：写作 – 审阅与编辑，资源。Xiaojian Zhou：写作 – 审阅与编辑，资源。Shuaiqi Wang：调查研究。Mei Hong：软件。Yunhang Jin：可视化，软件。Yin Zhang：写作 – 原稿，方法论，调查研究。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了云南省基础研究项目（基金号：202401AT070266）、国家自然科学基金（基金号：32401510）、云南省教育厅科研基金（编号：2026Y0939）、111计划（D21027）、"兴滇人才支持计划"青年人才项目以及中国国家留学基金管理委员会（档案号：202507850045）的支持。本工作也得到了云南省绿色与

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