高活性且耐用的TiO2/MoS2纳米材料负载在Ti金属网上，显著提升了光催化性能

《Materials Science and Engineering: B》：Highly active and durable TiO2/MoS2 supported on Ti mesh for enhanced photocatalytic performance

光催化复合材料TiO?/MoS?通过两步水热法成功制备并负载于钛网，显著提升污染物降解效率16.4倍，具备高电荷分离效率与循环稳定性，在流动反应器及户外环境中均表现优异。

　　

刘彦雷|高彦军|毕青|刘玉芳

中国河南省新乡市河南师范大学光电工程学院红外光谱测量与应用河南省重点实验室，邮编453007

摘要

开发可回收和可重复使用的光催化纳米复合材料被认为是解决环境问题和实际挑战的有效策略之一。在本研究中，通过两步水热法合成了负载钛网的TiO₂/MoS₂（TiM）复合材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等基础表征方法系统地确认了该复合材料的结构。与纯TiO₂相比，这种合成材料的污染物降解催化效率提高了约16.4倍。光电化学分析表明，该复合材料具有较高的电导率和强的电子亲和力，从而提高了电荷分离效率并显著增强了光催化活性。循环实验表明，该复合材料表现出显著的稳定性，其催化性能在10个循环后仍然保持一致。此外，还在不同的应用条件下评估了该复合材料的催化性能，包括流动反应器设置、入射方向的变化以及室外环境条件。测试结果证明了该复合材料在环境修复和水处理方面的广泛应用潜力。

引言

近年来，工业化和城市化的快速发展导致有机污染物排放量显著增加，对环境安全和生物生存构成了严重威胁[1]、[2]、[3]。因此，探索用于环境保护和恢复的高性能材料和催化技术——从温室气体捕获和转化[4]、[5]、[6]、[7]到有机污染物的降解——已成为一个关键问题。与传统污染物降解过程相比，半导体光催化高级氧化过程具有反应条件温和、氧化能力强、节能和高效等优点，已成为污水处理领域的研究热点[8]、[9]、[10]。

在众多光催化材料中，二氧化钛（TiO₂）因其优异的化学稳定性、低成本和相对较高的光催化活性而受到青睐[11]、[12]。然而，在许多研究中发现，TiO₂光催化剂的实际应用受到两个关键因素的限制：粉末状TiO₂光催化剂存在光子传输有限、比表面积利用率低、回收过程复杂以及可能产生二次污染等问题[13]、[14]、[15]。为了解决这些问题，在宏观基底上生长活性材料被证明非常有效[16]。研究表明，将TiO₂纳米线生长在钛网上作为载体材料，并对金属基底进行先进的表面修饰，可以进一步提高涂层的稳定性[17]，这些纳米线具有高比表面积、强的电子传输能力、高机械强度、易于回收以及优异的光散射性能，从而大大提高了流动液体系统的催化效率[18]、[19]。另一方面，TiO₂本身的特性，如高载流子复合效率、有限的光吸收范围、低导电性和光子转换效率，限制了其催化反应和整体太阳能利用率[20]、[21]。因此，探索适当的改性方法以克服这些限制是提高其光催化性能的关键。

自20世纪以来，复合材料结构的改进和微观结构的控制已被广泛认为是优化先进材料功能和光学性能的有效策略[22]、[23]、[24]、[25]。这些结构策略在各种应用领域取得了重大突破[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。同样，在光催化领域，以半导体纳米材料TiO₂为中心的复合材料也受到了广泛关注。通过与其他功能性光催化材料（如碳材料、金属氧化物、有机半导体等）[35]、[36]、[37]、[38]复合，可以构建具有协同效应的光催化系统。合适的复合材料可以调节TiO₂的电子能带结构，改善载流子迁移并优化光吸收，从而提高其性能。总之，通过引入复合材料进行改性，可以有效地利用不同材料的优势来克服TiO₂单一材料的局限性，从而提高光催化材料的催化性能。

过渡金属的硫化物，如CuS[39]、CdS[40]、Ag₂S[41]、[42]等，由于其优异的电导率和光吸收能力而在光催化领域受到了广泛关注。其中，二维层状二硫化钼（MoS₂）不仅具有优异的电导率，还具有出色的耐腐蚀性和稳定性[43]、[44]。用MoS₂改性TiO₂，一方面可以利用其优异的电导率有效收集和传输光生载流子并抑制电子-空穴复合过程，从而提高光催化活性；另一方面，其优异的耐腐蚀性和稳定性可以确保其在恶劣环境中的催化性能。此外，Mo和S原子的活性位点作为关键中心[45]，可以促进它们与反应物的物理或化学吸附，进一步增强复合材料的催化性能。

本研究考虑了传统粉末催化剂的可回收性限制以及单一二氧化钛的催化活性不足的问题。采用简单的两步水热法合成了TiO₂/MoS₂复合材料（方案1），旨在提高合成材料的催化性能和可重复使用性。与以往的粉末基研究不同，这项工作是在宏观钛网表面原位构建三维结构。这种独特的设计不仅完全解决了团聚和回收的严重问题，还最大化了复合材料之间的界面接触，增强了协同电荷转移效应。采用了一系列表征技术来了解复合材料的结构和性能，并进行了光催化测试，以评估TiO₂/MoS₂复合材料在实验和模拟自然环境条件下的活性和稳定性。

章节摘录

二氧化钛/二硫化钼（TiO₂/MoS₂）复合材料的合成

TiO₂/MoS₂复合材料是通过水热法合成的，制备过程如图1所示。首先，直接在2×2厘米的钛网表面原位生长二氧化钛纳米线。在此步骤中，钛网既作为结构基底，也作为钛源，无需外部涂层或单独沉积二氧化钛纳米颗粒。首先将钛网浸入特定的氢氟酸和硝酸混合物中

结构和形态特征

使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析了合成样品的微观结构和形态。图1a显示了TiM-3的SEM图像，可以观察到直径在25–50纳米范围内的纳米线状结构，这些纳米线看起来更加粗糙，表明复合材料的形成。图1b的TEM清晰地显示了负载在纳米线顶部的MoS₂。此外，高分辨率

结论

总之，通过简单的两步水热法，成功将高活性的TiO₂/MoS₂复合催化剂固定在了宏观钛网基底上。这种基于坚固钛网的集成结构有效解决了粉末催化剂团聚和难以回收的持续问题，提供了出色的结构稳定性和优异的可重复使用性。实验结果表明，所得到的TiO₂/MoS₂复合材料

CRediT作者贡献声明

刘彦雷：撰写 – 审稿与编辑。高彦军：撰写 – 原始草稿，数据管理。毕青：验证，正式分析。刘玉芳：实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：U23A20377）和河南省中原学者计划（224000510007）的支持。