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王爱文 | 作者
酥鱼 | 编辑
2023年10月23日，哈尔滨工业大学的刘冬梅教授团队，在Nature Communication发表题为“Enhanced and synergistic catalytic activation by photoexcitation driven S−scheme heterojunction hydrogel interface electric field”的研究论文。果壳硬科技邀请了论文第一作者王爱文撰写解读文章。以下为王爱文的分享内容。
如何建立一种理想电荷转移/分离界面，以高效协同增强PMS的活化仍是关键难题。因此，我们设计了S型异质结PBA/MoS2@壳聚糖水凝胶用于在光激发协同活化PMS。其不但可以用作常规的过渡金属（PBA）与助催化剂（MoS2）通过金属价态之间的循环高效活化PMS。也可通过光的激发，在S型异质结PBA/MoS2接触界面电场强化下高效电子转移和PMS的活化。我们对光激发S型异质结PBA/MoS2@壳聚糖水凝胶界面电场高效电子转移的机制进行了深入的研究，揭示了光生载流子与PMS协同活化的潜在机理，为新型PMS活化功能材料在水修复领域的发展和应用提供深刻的见解。
过氧化单硫酸盐活化的难题
过氧化单硫酸盐(PMS)的活化可以通过光照射，超声波，热，电和催化剂等方法产生ROS实现废水中有机污染物的高效降解和矿化。其中，过渡金属催化剂由于氧化态多变、可控、成本低等特点在污染物去除方面表现出相当优异的性能。
而过硫酸盐分子和中间体的吸附以及伴随的电子转移是过硫酸盐活化的关键步骤，同时，ROS的产生被认为与电子有关。因此增加电子产生的速率可能会加速PMS的活化以增强ROS的产生。
而在光照射下具有适当带隙宽度的光催化半导体可以产生光生电子已被证明是活化PMS的有效手段。然而，由于单个半导体电子和空穴之间的强库仑相互作用导致激子的结合能很大，从而阻碍了跃迁电子和空穴的分离，更不用说其在可见光区域的光吸收不足了。
幸运的是，已经证明了构建合适的异质结系统以有效的从激子中分离电子，从而最小化激子结合能并迅速电荷分离。
协同光催化和PMS活化技术
团队构建了PBA/MoS2@壳聚糖水凝胶并提出通过光激发S型异质结协同PMS活化的机理。PBA/MoS2界面处的内建电场重新分布了能量势垒为电荷的传输提供驱动力。将光生载流子集成到PMS协同活化体系中改变了传统过渡金属活化PMS的电子性质和结构，通过多种活化路径协同增强催化反应速率。同时，壳聚糖水凝胶三维网络空间使PMS更快的富集以作用到活性位点加速氧化还原反应。
实验和理论模拟结果分析了污染物的降解途径，证明了PBA/MoS2@壳聚糖水凝胶协同光激发活化PMS体系具有优异的稳定性且更适用于水处理后期的高级氧化。
我们的工作扩展了通过光激发S型异质结协同PMS活化降解新兴有机污染物的应用，为MOF基S型异质结光催化活化PMS功能材料的设计提供了新的见解。
图1.光激发调控界面电场机制。图片来源：Nat. Commun.
评估反应路径和催化性能
催化反应在微观层面，S型异质结的IEF重新分配了能量壁垒并加速了电子传输，进而改变了过渡金属活化PMS的电子特性和机理。因此，多种协同途径有利于电荷在PMS周围积累，从而提高催化反应速率。
从宏观角度来看，壳聚糖水凝胶的自发缠结网络空间能够更快地富集污染物和氧化剂。由于质子化壳聚糖对PMS的吸引，可减少活化剂的用量，从而使 PMS更快地作用于活性位点，加速氧化还原反应。因此，光激发PBA/MoS2@壳聚糖水凝胶协同活化PMS从根本上改变了传统的过渡金属氧化还原反应途径，增强了S型异质结与IEF对PMS的协同活化，从而促进了污染物的高效催化降解。
图2. 评估反应路径和催化性能。图片来源：Nat. Commun.
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