圖文摘要

    近日，河海大學(xué)王超院士團(tuán)隊(duì)在Journal of Cleaner Production上發(fā)表了題為“Engineering phase and vacancy with anchoring Fe nanoparticles for photothermal conversion in peroxymonosulfate activation toward efficient removal of carbamazepine”的研究論文(DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138263)。該研究通過(guò)相位工程和新穎的焦耳加熱策略，在MoS₂上的引入了穩(wěn)定的1T金屬相和豐富的硫缺陷；同時(shí)將Fe納米顆粒錨定在催化劑上，以產(chǎn)生耦合的光熱和等離子體。這種催化劑呈現(xiàn)納米花結(jié)構(gòu)，具有高點(diǎn)的電子傳輸能力、豐富的吸附位點(diǎn)以及優(yōu)秀的光熱轉(zhuǎn)化能力，能有效地激活過(guò)一硫酸鹽（PMS）以降解卡馬西平（CBZ）。

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      基于過(guò)一硫酸鹽( PMS )的高級(jí)氧化技術(shù)在水體修復(fù)中顯示出巨大的潛力，但催化劑中PMS活性位點(diǎn)的不足和活性位點(diǎn)的低轉(zhuǎn)化率限制了其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和合成高效、環(huán)境友好的催化劑用于活化PMS引起了人們的廣泛關(guān)注。在這項(xiàng)研究中，作者通過(guò)在2H相MoS₂ ( THMS )中引入1T金屬相來(lái)構(gòu)建具有穩(wěn)定異質(zhì)結(jié)構(gòu)的1T/2H多相MoS2（THMS），以實(shí)現(xiàn)高電子轉(zhuǎn)移效率。并提出了一種通過(guò)焦耳加熱策略引入硫缺陷以增加催化劑活性位點(diǎn)的新方法，從而形成富含缺陷的THMS ( DTHMS )。此外，我們錨定了Fe納米顆粒( DTHMS @ Fe ) 在DTHMS上以增強(qiáng)局部表面等離子體共振誘導(dǎo)的光熱效應(yīng)，用于加速活性位點(diǎn)的轉(zhuǎn)化和PMS的活化。DTHMS@Fe可以通過(guò)在模擬可見(jiàn)光下的光熱效應(yīng)快速提高系統(tǒng)溫度來(lái)熱激活PMS，由此觀察到的反應(yīng)速率是DTHMS/PMS/光系統(tǒng)的2.3倍。我們的工作為利用太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換構(gòu)建PMS共活化系統(tǒng)提供了一種新的解決方案。這是一種很有前途的方法，可以有效降解新型關(guān)注的污染物（CECs），同時(shí)降低應(yīng)用成本和能源消耗。

圖文導(dǎo)讀

       圖1（a） THMS和DTHMS的SEM圖像。（b） DTHMS的TEM圖像。（c） DTHMS的HRTEM圖像。（d） DTHMS、THMS和HMS的XRD峰（放大的XRD圖譜屬于MoS2的（002）峰）。（e） THMS和DTHMS的拉曼光譜（放大的拉曼峰屬于379cm-1處的拉曼特征峰）。（f） THMS和DTHMS的EPR光譜。

         圖2（a） CBZ在催化劑/PMS系統(tǒng)中的降解。（b） 催化劑的EIS光譜。（c） PMS在THMS和DTHMS上的差分電荷分析。（d） THMS和DTHMS的態(tài)密度。

       圖3（a） DTHMS@Fe的TEM圖像和元素映射圖像.（b）Fe2p的XPS光譜DTHMS@FePMS激活前后。（c） THMS、DTHMS和DTHMS@Fe的太陽(yáng)光譜輻照度（灰色）和紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜.（d）THMS、DTHMS和DTHMS@Fe在模擬太陽(yáng)輻射下的太陽(yáng)光譜中紫外線、可見(jiàn)光和近紅外光的比率以及催化劑的吸收率與太陽(yáng)光譜的總能量。

        圖4（a） CBZ在催化劑/光/PMS體系中在不同條件下的降解效率。（b）在THMS、DTHMS和DTHMS@Fe在不同的條件下的Kobs。（c）DTHMS和（d）DTHMS@Fe.的靜電電勢(shì)。

        圖5（a） ?OH、?SO4-和1O2的清除實(shí)驗(yàn)（猝滅劑的濃度為5mM）。（b） 催化劑/PMS系統(tǒng)中DMPO-?OH和DMPO-?SO4-和（c）TEMP-1O2的EPR信號(hào)。（d） PMS活化前后DTHMS的Mo3d的XPS光譜。（e） DMPO-?OH和DMPO-?SO4-以及（f）TEMP-1O2在不同溫度下的EPR信號(hào)。

      圖6（a）初始pH、（b）腐殖酸、（c）共存離子和（d）PMS劑量對(duì)DTHMS@Fe/PMS/light系統(tǒng)的影響。（e） 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和（b）CBZ的分子靜電勢(shì)。（d） CBZ在分解過(guò)程中的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物/中間體。

主要結(jié)論

      總之，本研究開(kāi)發(fā)了一種含有Fe納米顆粒的硫缺陷1T/2H多相MoS2催化劑DTHMS@Fe，它能有效地激活PMS以降解CBZ。在優(yōu)化的DTHMS@Fe/PMS/light系統(tǒng)，CBZ的降解率（初始濃度為10ppm）在15分鐘內(nèi)達(dá)到99%， DTHMS@Fe反應(yīng)速率常數(shù)分別是初始THMS和DTHMS系統(tǒng)的3.6倍和2.9倍。催化效率的顯著提高可歸因于以下特征：（1）合適的1T相的引入促進(jìn)了多價(jià)鉬物種之間的電子傳輸。（2） 硫缺陷的大量存在為PMS提供了豐富的吸附位點(diǎn)。（3） 基于Fe納米顆粒的等離子體耦合光熱效應(yīng)激發(fā)了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，同時(shí)產(chǎn)生了更多的自由基通道。CBZ的降解是通過(guò)自由基途徑和非自由基途徑的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間的操作過(guò)程中表現(xiàn)出非凡的穩(wěn)定性和最低的金屬浸出率。我們的工作試圖將光熱轉(zhuǎn)換引入PMS共活化系統(tǒng)，并為研究太陽(yáng)能在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用提供了新的思路。

      王超院士團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)中的焦耳加熱儀器，為合肥原位科技有限公司焦耳加熱裝置。

      通過(guò)焦耳加熱裝置，針對(duì)導(dǎo)電材料，科學(xué)家可利用其自身的焦耳效應(yīng)，對(duì)其施加電氣環(huán)境；針對(duì)非導(dǎo)電材料，則可通過(guò)我司配備的各類耐高溫極速加熱樣品臺(tái)進(jìn)行加熱，從而使材料在極短的時(shí)間內(nèi)（0~10 S）達(dá)到極高的溫度（1000~3000 ℃），升溫速率最快可達(dá)到10000k/s。

      通過(guò)對(duì)材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變。

     該產(chǎn)品目前廣泛應(yīng)用在電池、催化、陶瓷、金屬材料等領(lǐng)域，可通過(guò)極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。