文献分享 | 南京师范大学环境学院刘亚子副教授团队WR:协同压电-光催化调控S型异质结内建电场以实现高效四环素降解与产氢

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第一作者：Shiyu Song

通讯作者：刘亚子

通讯单位：南京师范大学环境学院

https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.126357

图1展示了MoS₂/ECN复合材料的合成路线和微观形貌。花状MoS₂纳米球与ECN纳米片通过超声混合和低温煅烧形成紧密的面对面接触，HRTEM清晰显示两种组分良好的结晶度和晶格条纹，元素面分布图证实碳、氮、钼、硫在复合物中均匀分布，证明异质结的成功构建。

图2通过XRD、FT-IR和XPS分析了材料的晶体结构和化学环境。XRD证实ECN和MoS₂的特征峰在复合物中同时存在且ECN峰强度随MoS₂比例增加而减弱；XPS精细谱显示复合后Mo 3d和S 2p峰位向低结合能偏移而N 1s向高结合能偏移，明确表明电子从ECN向MoS₂发生了界面转移。

图3利用压电力显微镜和开尔文探针力显微镜表征了材料的压电性能。ME-5的压电系数（72 pm/V）远高于ECN（19 pm/V），且呈现近180°的相位反转，证实其压电响应显著增强；表面电势测量显示光与应力同时作用时电势进一步提升，证明二者协同可强化内建电场。

图4评估了材料的光吸收和载流子分离效率。复合MoS₂后ECN的吸收边发生红移，可见光吸收显著增强；荧光强度降低和载流子寿命缩短表明电子-空穴复合被有效抑制。电化学测试显示ME-5的界面电荷转移电阻最低、光电流密度最高，且光与超声同时作用时电流最大，证实了压电-光催化的协同效应。

图5系统比较了各样品在三种催化模式下的四环素降解性能。光催化中ECN主导活性，压电催化中MoS₂表现最佳，而压电-光催化下ME-5的降解效率（60分钟95%）和反应速率常数均远超前两者之和，协同效应显著。循环实验证实ME-5经四次使用后活性保持稳定，具有良好的耐久性。

图6通过淬灭实验和电子顺磁共振谱图鉴定了反应中的活性物种。淬灭实验表明超氧自由基是所有催化体系中最关键的活性物种。EPR谱图直观显示在光和超声双能量场驱动下超氧自由基信号最强，证实压电与光催化之间存在强烈的协同增强效应。

图7揭示了压电极化场调控异质结电荷转移路径的机理。功函数计算表明ECN的电子自发流向MoS₂形成内建电场。单纯光照时遵循I型异质结路径，而引入超声后压电极化场使能带倾斜，促使电荷转移转变为S型机制：电子保留在ECN侧（强还原性）、空穴富集在MoS₂侧（强氧化性），实现了氧化与还原能力的同时最大化。

图8评估了ME-5在实际应用场景中的适应性。该体系在pH 1-10.8的宽范围内均有效，Cl⁻和SO₄²⁻干扰较小而CO₃²⁻抑制作用明显；在河水、湖水和自来水三种实际水体中降解效率略低于去离子水但仍保持良好活性；连续流反应器实验进一步证实了其在动态水力条件下的实际应用潜力。

图9展示了ME-5同步降解四环素和产氢的双功能性。在压电-光催化条件下ME-5的产氢量达2.679 mmol/g，远超纯相材料；以四环素为牺牲剂时4小时内可获得1.58 mmol/g的氢气并同步去除59.8%的四环素。实际制药废水中的验证实验进一步确认了废水净化与能源回收耦合策略在复杂基质中的可行性