Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4异质结的界面调控及其压电协同催化性能研究

葛吕洁 ,  毛辉麾

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 166 -174.

PDF (7470KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (3) : 166-174. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.027
科研与开发

Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4异质结的界面调控及其压电协同催化性能研究

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Defective MoS2/Fe-doped g-C3N4 heterojunction composites for enhancing advanced oxidation processes

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摘要

针对传统铁基催化剂易浸出、循环性差的问题,通过Fe掺杂与Flaws-MoS2复合策略,在g-C3N4基底上构建了三元异质结催化剂(Flaws-MoS2/Fe/g-C3N4),系统探究了界面调控对压电协同催化的增强机制。结果表明:Fe掺杂显著提升了g-C3N4的比表面积(15 m2/g增至80.95 m2/g),并通过形成Fe-Nx活性位点抑制铁离子浸出;Flaws-MoS2的边缘S位点诱导酸性微环境,促进Fe3+/Fe2+循环效率,同时异质结结构加速光生载流子分离。优化后的催化剂(x=3%)在超声协同H2O2条件下,20 min内对罗丹明B(RhB)的去除率达99.91%(kobs=0.244 9 min-1),较纯Fe-g-C3N4提升近5倍。自由基淬灭实验证实·OH为主导活性物种,EPR表征进一步揭示了·${O}_{2}^{-}$与·OH的协同作用。此外,压电催化性能与光芬顿效率相当(可见光+H2O2:99.41%),5次循环后仍保持87.57%活性。

Abstract

To address the challenges of iron leaching and poor recyclability in traditional Fenton systems,a ternary heterojunction catalyst (Flaws-MoS2/Fe/g-C3N4) was constructed via Fe doping and defective MoS2 coupling on a g-C3N4 substrate.The interfacial regulation mechanism and piezoelectric-catalytic synergy were systematically investigated.Results demonstrated that Fe doping significantly increased the specific surface area of g-C3N4 (from 15 to 80.95 m2·g-1) and stabilized Fe sites through Fe-Nx bonding,effectively suppressing iron leaching.The edge S defects in MoS2 induced an acidic microenvironment,enhancing Fe3+/Fe2+ cycling and H2O2 activation.The optimized catalyst (3% Fe) achieved a RhB removal rate of 99.91% (kobs=0.244 9 min-1) within 20 min under ultrasound-assisted H2O2 conditions,outperforming pristine Fe-g-C3N4 by 5-fold.Quenching experiments confirmed ·OH as the dominant reactive species,while EPR analysis revealed synergistic contributions from ·${O}_{2}^{-}$ and ·OH.Notably,the piezoelectric-catalytic efficiency (Visible light with H2O2:99.41%) rivaled photo-Fenton performance,and the catalyst retained 87.57% activity after 5 cycles.

Graphical abstract

关键词

铁基催化剂 / 压电催化 / 异质结 / 界面工程

Key words

iron-based catalyst / piezoelectric catalysis / heterojunction / interface engineering

引用本文

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葛吕洁,毛辉麾. Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4异质结的界面调控及其压电协同催化性能研究[J]. 现代化工, 2026, 46(3): 166-174 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.03.027

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近几十年来,环境污染问题日益严峻,国际社会对污染物治理制定了更为严格的标准,尤其在生物与化工领域,生产过程排放的高毒性污染物对水环境构成显著威胁,亟需开发高效绿色的废水处理技术。传统化学氧化法虽可将污染物降解为小分子(如CO2和H2O),但对高稳定性污染物的处理效率有限。在此背景下,高级氧化工艺(Advanced Oxidation Processes,AOPs)因其能通过光、热或催化剂诱导产生高活性羟基自由基(·OH),实现有机污染物的深度矿化而备受关注[1]。与传统技术相比,AOPs在反应条件适应性、矿化彻底性及运行成本方面优势显著,尤其适用于难降解毒性物质的去除[2]
芬顿(Fenton)工艺作为AOPs的核心技术之一,通过·OH的强氧化性降解污染物[3],其衍生技术包括常规Fenton法、光Fenton法及电Fenton法[4]。然而,铁基催化剂普遍存在铁离子浸出、分散性差及二次污染等问题,限制了其实际应用[5]。研究表明,g-C3N4的“六倍腔”结构可有效锚定铁原子,抑制浸出[6]。其吡啶氮位点通过形成Fe-Nx键稳定铁活性中心[7-8],同时Fe掺杂可调控g-C3N4能带结构,增强可见光吸收并抑制光生载流子复合[9-10]。此外,半导体异质结策略(如与MoS2复合)可进一步提升光生电子-空穴对分离效率。
除了掺杂策略,半导体复合策略也可以通过使半导体与g-C3N4形成异质结,促进催化剂中光生电子与空穴的分离效率。Yan等[11]通过机械球磨法制备出g-C3N4/MoS2复合催化剂,显著提高了g-C3N4在可见光下对RhB的催化活性。Niu等[12]发现,MoS2的复合极大提高了g-C3N4的产氢性能,但其循环实验表明该体系的稳定性有待提高。二维MoS2材料因其较大的比表面积和适宜的禁带宽度,被广泛应用于光电催化等诸多领域。尽管过渡金属二硫化物(如MoS2、WS2)在压电催化领域取得进展[13],其效率仍低于光/电催化技术,缺陷工程成为提升其活性的关键策略[14]
基于上述研究,本文设计了一种新型三元异质结材料(Flaws-MoS2/Fe/g-C3N4),旨在通过以下途径提升催化性能:(1)利用g-C3N4负载Fe位点构建2D/3D界面结构,优化电子传输路径并增加活性位点密度;(2)通过缺陷工程调控MoS2边缘S位点,形成酸性微环境以促进Fe3+/Fe2+循环,抑制铁泥生成;(3)探索超声振动下压电催化与Fenton反应的协同机制,为机械能驱动的绿色催化技术提供新思路。

1 实验部分

1.1 实验仪器

OTL-1200管式炉,购于南京南大设备有限公司;100 mL聚四氟内胆不锈钢水热反应釜,购自郑州豫华仪器制造有限公司;DHG-9035A型鼓风干燥箱,购于上海鳌珍仪器制造有限公司;85-1B型光化学反应仪,购于扬州大学城科教仪器有限公司;DH7000D电化学工作站,购于东华分析仪器有限公司。

1.2 实验试剂

四水合钼酸铵[(NH4)6Mo7O24·4H2O]、六水合三氯化铁(FeCl3·6H2O)、双氰胺(C2H4N4)、硫脲(CH4N2S)、过氧化氢(H2O2)、过氧单硫酸盐(PMS,K5H3S4O18)、罗丹明B(RhB,C28H31ClN2O3)、对苯醌(BQ,C6H4O2)、组氨酸(L-HIS,C6H9N3O2)和叔丁醇(TBA,C4H10O)均购自阿拉丁化学有限公司(中国);氢氧化钠(NaOH)、乙醇(EtOH,C2H5OH)、甲醇(MeOH,CH3OH)、盐酸(HCl)、重铬酸钾(K2Cr2O7)和草酸铵(AO)均购自国药控股化学试剂有限公司(中国)。所有实验都使用蒸馏水。所有化学试剂均未进一步纯化。

1.3 实验步骤

1.3.1 样品制备

(1)制备Flaws-MoS2:采用水热法对钼进行调节,制备多缺陷型${{MoS}_{2}}$[15]。具体而言,将2 mmol的四水钼酸铵和70 mmol的硫脲溶解于75 mL的去离子水中,前驱体溶液中钼与硫的摩尔比为1∶5,以确保形成多缺陷结构。随后,将前驱体溶液在220℃下进行水热反应18 h,反应完成后冷却至室温,使用去离子水和无水乙醇对产物进行洗涤,最后在真空条件下于60℃干燥12 h,得到的黑色样品标记为Flaws-MoS2
(2)制备Fe-g-C3N4:采用热缩聚法合成g-C3N4。具体操作为将六水合三氯化铁溶解于含有5.0 g双氰胺的25 mL混合溶剂中,随后在60℃条件下搅拌30 min,直至水分完全蒸发。接着在80℃的条件下进行12 h的真空干燥处理。将干燥后的固体转移至氧化铝坩埚内,以5℃/min的升温速率加热至550℃,并在氮气氛围的管式炉中煅烧2 h,最终获得淡黄色样品。将样品进行研磨后备用。FeCl3·6H2O的添加量分别为0.136、0.408、0.680 g,相应地,所得的Fe-g-C3N4催化剂分别标记为1% Fe-g-C3N4、3% Fe-g-C3N4、5% Fe-g-C3N4。其中,x%代表Fe在催化剂中的质量百分比(以g-C3N4的质量为基准进行计算)。
(3)合成Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4:采用水热法合成Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4复合催化剂(图1)。
具体操作为:准确称取1 g Fe-g-C3N4粉末,与0.386 3 g四水合钼酸铵和0.800 9 g硫脲混合,溶解于40 mL去离子水中,于室温下搅拌直至完全溶解。随后,将所得混合溶液转移至100 mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,在200℃条件下进行20 h的水热反应。反应完成后,待反应釜自然冷却,分离出黑色沉淀物,并在60℃下进行12 h的干燥处理。

1.3.2 样品表征

获得的样品分别用X射线粉末衍射仪(XRD)分析样品的晶体结构,傅里叶红外光谱仪(FT-IR)表征官能团,扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察样品的微观形貌,能量散射光谱仪(EDS Mapping)分析样品的元素组成及化学态,全自动比表面及孔隙度分析仪(BET)检测样品的比表面积,X射线光电子能谱分析仪(XPS)测量样品的组成和元素状态,电子顺磁共振光谱仪(EPR)检测反应产生活性物质。

1.3.3 催化实验

向100 mL浓度为10 mg/L的罗丹明B溶液中加入20 mg样品先进行搅拌30 min以排除吸附作用对催化数据的影响。接着加入一定量的H2O2/PMS进行类芬顿催化降解反应,每隔一段时间取样测吸光度,通过罗丹明B溶液浓度的标准曲线处理数据并制图制表分析结果。考虑所制备样品的光催化性能通过在300 W氙灯(扬州大学城科教仪器有限公司)下降解污染物来评估;考虑压电催化效应在自然光超声振动(US)条件下进行。

2 结果与讨论

2.1 Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4复合材料的形貌及微观结构表征

图2(a)为不同比例铁掺杂氮化碳的XRD图谱,图2(b)为Flaws-MoS2、Fe-g-C3N4(x%=3%)及其复合材料的XRD图谱。在图2(a)中,2θ=13.7°和27.8°处观察到两个显著的衍射峰,分别对应于 g-C3N4的三嗪环单元的(100)晶面,其强度与三嗪环的周期性排列相关;以及一种典型的层间堆叠共轭芳香族体系的(002)晶面,其强度与环状芳香物层间堆积相关。这些特征与标准g-C3N4 XRD谱图(JCPDS 87-1526)相吻合,证实了所制备的催化剂为石墨相氮化碳。在图2(b)中,14.3°、32.6°和58.3°的衍射峰分别对应MoS2的(002)、(100)和(110)晶面(JCPDS 37—1492)。与MoS2相比,复合材料在14.3°处的典型(002)衍射峰向小角度方向偏移,衍射强度亦有所减弱,这归因于MoS2层间距的增加,层状结构由紧密变为蓬松,从而增加了催化反应的活性位点[16]。Fe-g-C3N4在13.7°处对应的(002)峰强度减弱,是由于水热复合作用导致g-C3N4层状结构变薄,晶面间阶数降低[17]。这表明水热反应过程促进了MoS2与Fe-g-C3N4层状材料的复合。
为了确认合成的样品具有S缺陷,对Flaws-MoS2样品进行了电子顺磁共振(EPR)测试,在图2(c)发现有一个信号峰,g因子为2.003,表明样品具有S缺陷,与上述XRD表征结果相互佐证。
图2(d)展示了不同材料的红外光谱图。通过分析图中数据,可以观察到608 cm-1处的振动峰,该峰的存在证实了Mo—S键的存在。在821~985 cm-1的频段内,S—S键的特征振动峰得以显现。此外,在1 120 cm-1处,Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4复合材料的不对称S=O峰得以呈现[18]。在1 250~1 700 cm-1的频段内,g-C3N4结构中三嗪环的伸缩振动特征峰清晰可见。在3 200~3 400 cm-1的频段内,表面羟基的振动峰被检测到,而在3 000~3 500 cm-1的频段内,则是—OH和—NH伸缩振动峰的显现。复合材料中g-C3N4结构单元上的羟基与Flaws-MoS2之间形成的氢键及其他作用力导致了相应振动峰强度的减弱。
采用SEM、EDS Mapping以及TEM对样品的微观形貌和化学组成进行了详细表征(图3)。对Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4复合材料的微观结构进行了SEM分析,如图3(a),Flaws-MoS2由众多形状规则且均匀分散的纳米花球状颗粒构成,这些颗粒展现出纳米级花瓣结构,有助于增加活性边缘的暴露,从而提升其压电催化性能。图3(b)、(c)揭示了Flaws-MoS2在Fe-g-C3N4基底上的生长情况,层片状的Fe-g-C3N4与MoS2结构相互交织,形成了优化的异质结结构,促进了多层蓬松3D结构的形成,这种结构的疏松性显著增强了光生电子的传输效率。图3(e)、(f),图3(h)、(i)展示了Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4复合材料的TEM图像,清晰地显示出Fe掺杂对催化剂形貌产生了显著影响,形成了多孔结构,显著提升了材料的比表面积。孔道结构的形成可能归因于Fe掺杂导致的前驱体在高温下的分解,从而产生了大量气体。MoS2的复合对催化剂的形貌影响较小,未改变原有的多孔道结构。图3(i)中的高分辨率TEM(HRTEM)图像中可以明显观察到六方晶系Flaws-MoS2(002)晶面的0.62 nm晶格间距以及缺陷结构与XRD以及EPR表征结果相互佐证。
为了研究样品掺杂及复合材料比表面积对催化性能的影响,进行了BET比表面积测试。表1对g-C3N4、Fe-g-C3N4和Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4 3种材料的比表面积、孔径和孔隙率进行比较。Fe的掺杂,使g-C3N4比表面积从15 m2/g大幅增加至80.95 m2/g。Flaws-MoS2的复合,使Fe-g-C3N4小幅减小到67.17 m2/g。
为探究Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4复合材料的元素价态与化学组成,本研究对Flaws-MoS2及Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4进行了XPS分析,结果如图4图5所示。
(1)Mo 3d峰的解析:图4(a)中,Flaws-MoS2典型层间位点的231.60 eV对应Mo4+,在图5(a)中合成的复合材料中亦有所体现,表明二硫化钼中钼的主要价态为4价[19]。值得注意的是,复合后Mo4+峰发生裂分,形成231.3 eV和232.49 eV 2个峰,这表明Fe的引入导致Mo4+的电子云密度增加,此现象可归因于Fe的电负性低于Mo,致使电子向Mo偏移。Fe与Mo形成的Mo—O—Fe和Mo—S—Fe键进一步证实了MoS2与g-C3N4上其他元素之间的键合。图5(a)中复合材料Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4的Mo 3d在235 eV附近出现了一个新峰,归属于Mo6+,表明与g-C3N4的复合促进了高价Mo6+的形成[20]。Mo6+的结合能从235.28 eV移至235.56 eV,上移0.28 eV反映了与g-C3N4之间的电子迁移作用,增强了光生载流子的分离效率。
(2)S 2p峰的动态变化:图4(c)中162.57 eV和161.40 eV处的峰分别对应S 2p1/2和S 2p3/2。与图4(c)中的Flaws-MoS2相比,图5(c)中复合材料Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4的S 2p新增了一个位于163.18 eV的峰,这是未完全配位的S2-的典型特征,表明在二硫化钼中形成了更多的边缘硫S2-。这类活性位点能够吸附H+,从而形成酸性微环境[21]

2.2 Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4的电化学性能分析

为深入探究所制备光催化剂的光诱导电荷分离效率、迁移效率以及界面电荷转移电阻,本研究执行了光电流瞬态响应实验和EIS分析。图6(a)揭示,相较于Flaws-MoS2和Fe-g-C3N4,复合材料展现出更高的光电流强度,表明光生载流子的复合过程得到了显著抑制。此外,图6(b)所示的EIS结果表明,与Flaws-MoS2和Fe-g-C3N4相比,Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4的阻抗图弧半径最小,这说明构建的异质结优化了电子解离和电荷转移特性,从而促进了光催化降解反应中电子和空穴的参与度,与光降解活性结果相一致。

2.3 催化实验

2.3.1 催化实验

图7表2所示,复合材料MoS2/Fe-g-C3N4在光芬顿催化降解RhB反应中,20 min去除率达81.89%(kobs=0.063 6 min-1);构造缺陷的复合材料Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4去除率为99.41%(kobs=0.255 2 min-1),可见构造Flaws-MoS2对降解效率有着明显的提升。其中,在不同比例样品中,Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4(x=3)催化降解性能最佳,光芬顿催化降解RhB中实现99.41%的去除率(kobs=0.255 2 min-1)。
对复合材料Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4(x=3)进行压电催化测试,在没有光照只在超声振动(US)条件下,该催化剂也有着优异的降解能力,20 min去除率可达到82.14%。加入和光芬顿同等条件下的H2O2/PMS,此时超声+H2O2实现99.91%的去除率(kobs=0.244 9 min-1);超声+PMS实现99.68%的去除率(kobs=0.237 5 min-1);压电催化条件下的降解率和拟一级反应速率常数几乎和光芬顿条件下持平,显示良好的压电催化性能。
相同实验条件下,分别对Fe-g-C3N4和Flaws-MoS2超声下进行压电催化测试,Fe-g-C3N4的RhB去除率仅为21.81%,Flaws-MoS2的RhB去除率高达76.21%,可见,起主要压电催化性能的为Flaws-MoS2

2.3.2 能带结构分析

进一步对所制备材料进行能带结构分析。图8(a)为不同光催化剂的紫外-可见-漫反射(UV-Vis)谱图,掺杂Fe催化剂在400~450 nm处的特征吸收边出现微弱的蓝移,在可见光区域(450~800 nm)紫外吸收明显增加,可以降低催化剂的带隙能,这与图8(b)禁带宽度从2.52 eV减少到 2.34 eV对应。Fe-g-C3N4使光吸收范围向可见光区延展,增加了可见光的利用率。带隙可以通过Tauc plot公式计算得到,图8(c)中Flaws-MoS2的带隙为1.47 eV。由图8(d)、(e)Mott-Schottky曲线可看出Flaws-MoS2和Fe-g-C3N4都属于n型半导体,其平带电位电势EFB(vs Ag/AgCl)分别为 -0.28、-0.74 eV。由E(vs NHE)=E(vs.Ag/AgCl)+0.197,计算出Flaws-MoS2和Fe-g-C3N4在标准氢电极下的平带电势的EFB(vs NHE)分别为-0.543 eV和-0.083 eV。由于n型半导体的EFB(vs.NHE)值通常比导带高0.3 eV,而p型半导体的EFB(vs.NHE)值通常比价带低0.3 eV[22],综上所述,估计Flaws-MoS2的导带值约为-0.84 eV,而Fe-g-C3N4的导带估计值约为-0.38 eV。根据公式Eg=ECB-EVB,计算出Flaws-MoS2和Fe-g-C3N4价带在标准氢电极下的电势EVB(vs NHE)分别为0.63 eV和1.96 eV。综上所述,得到Flaws-MoS2和Fe-g-C3N4带隙结构图,如图8(f)所示。

2.3.3 淬灭实验及机理分析

为了阐明活性物质对RhB的光降解的影响,使用乙醇(EtOH)、L-组氨酸(His)、对苯醌(BQ)分别捕获·OH、1O2和·${O}_{2}^{-}$。自由基猝灭结果如图9(a)所示,可以看出,1O2的影响较小,·${O}_{2}^{-}$和·OH对光芬顿降解有一定的促进作用。加入乙醇后,光芬顿反应几乎被完全抑制了,20 min内RhB降解率仅为17.14%,表明·OH是体系中最主要的活性物质。添加了L-组氨酸后降解效率基本无变化,表明 1O2并非主要的活性物质。对苯醌的加入对反应也存在一定影响,说明·${O}_{2}^{-}$也参与了反应,降解率为79.13%。N2吹扫后降解率为40.41%,这是由于在反应体系中,超氧自由基会和Mo6+反应将其还原为Mo4+,从而一定程度下促进钼离子和铁离子的循环,水中的溶解氧和液相表面的氧气也会参与反应。有机污染物的光催化降解过程通常是直接利用VB或光激发后在局域态产生的光生空穴的氧化能力,或其他氧化活性物质(·${O}_{2}^{-}$和·OH)的氧化能力[23]。其中,·${O}_{2}^{-}$通常是由电子与吸附在表面的氧分子反应生成的,而羟基自由基是由空穴与吸附在光催化剂表面的水或氢氧根离子反应生成的。
在可见光照射下用DMPO作为自由基捕获剂研究。在水分散体系和甲醇分散体系中研究了光催化剂的EPR。从图9(c)可以看出,EPR光谱显示了一个强度比为1∶2∶2∶1典型的4倍峰,归为DMPO-·OH;图9(d)1∶1∶1∶1的强度峰,这可以归因于 DMPO-·${O}_{2}^{-}$。在0 min时黑暗条件时均产生了·${O}_{2}^{-}$或·OH的弱峰。当体系暴露在光下时显示出·${O}_{2}^{-}$和·OH的强特征峰,表明·${O}_{2}^{-}$和·OH在RhB的降解过程中都参与了反应,这与自由基猝灭实验的结果基本符合。
基于以上结果,提出Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4可能的光降解RhB的潜在机制。
在光照的条件下对材料进行光激发,以在导带和价带中产生电子和空穴[式(1)],电子可以将部分三价铁转换为二价铁[式(2)],也可以和氧气反应生成超氧自由基[式(3)],而空穴可以和氢氧根反应生成小部分羟基自由基[式(4)]加入H2O2后,材料中大量的Fe2+表面发生Fenton反应生成Fe3+和·OH[式(5)]。而Mo4+也可以与Fe3+反应作用将其转化为Mo6+,同时将Fe3+还原为Fe2+[式(6)]。两组Fe3+/Fe2+循环模式的存在极大提高了Fe3+/Fe2+转化的效率。Mo6+也可以通过与过氧化氢和超氧自由基反应循环生成四价钼[式(7)、(8)]。上述高价钼的存在已通过XPS Mo 3d光谱图证明。而Mo6+在还原的过程中产生O2,又进一步强化了光生电子和O2结合产生超氧自由基的过程(3)。这也和淬灭实验结果吻合。整个体系可以快速分解H2O2,产生大量羟基自由基和超氧自由基来降解污染物,同时实现双Fe3+/Fe2+循环模式的极大钼和铁的循环效率,使光催化Fenton效率得到提升。
$\text { Flaws }-\mathrm{MoS}_{2} / \mathrm{Fe}-\mathrm{g}-\mathrm{C}_{3} \mathrm{~N}_{4}+\mathrm{h} \nu \longrightarrow \mathrm{e}_{\mathrm{CB}}^{-}+\mathrm{h}_{\mathrm{VB}}^{+}$
$\mathrm{e}_{\mathrm{CB}}^{-}+\mathrm{Fe}^{3+} \longrightarrow \mathrm{Fe}^{2+}$
$\mathrm{e}_{\mathrm{CB}}^{-}+\mathrm{O}_{2} \longrightarrow \cdot \mathrm{O}_{2}^{-}$
$\mathrm{h}_{\mathrm{VB}}+\mathrm{OH}^{-} \longrightarrow \cdot \mathrm{OH}$
$\mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} \longrightarrow \mathrm{Fe}^{3+}+\cdot \mathrm{OH}+\mathrm{OH}^{-}$
$\mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{Mo}^{4+} \longrightarrow \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{Mo}^{6+}$
$\mathrm{Mo}^{6+}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} \longrightarrow \equiv \mathrm{Mo}^{4+}+2 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{O}_{2}$
$\text { · } \mathrm{O}_{2}^{-}+\mathrm{Mo}^{6+} \longrightarrow{ }^{1} \mathrm{O}_{2}+\mathrm{Mo}^{4+}$

2.3.4 催化剂的稳定性和可回收性

Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4的可重用性对其长期使用至关重要。从图9(b)可知,在相同的条件下,对Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4进行RhB降解循环稳定性实验。连续5次循环后,RhB的去除率分别为96.91%、94.32%、92.17%、90.06%、87.57%,催化剂对RhB的降解效率呈现逐渐降低的趋势,但5个循环使用后,20 min内的降解效率还能达到87.57%。催化活性的小幅下降可归因于由于每次循环实验后处理过程中催化剂的质量损失,导致光催化剂的效率随着循环时间的增加而略有下降。综上,表明Flaws-MoS2/Fe-g-C3N4具有促进再利用的潜力,是一种具有稳定性良好的催化剂。

3 结论

通过Fe掺杂与缺陷MoS2复合,成功构建了2D/3D异质结结构。Fe的引入不仅扩增了g-C3N4的比表面积(80.95 m2/g),还通过Fe-Nx键稳定活性位点;MoS2的缺陷工程精准调控边缘S位点,形成酸性微环境,协同促进Fe3+/Fe2+循环与H2O2活化。优化后的缺陷MoS2/Fe-g-C3N4(x=3%)在光芬顿与压电催化体系中均表现出卓越性能,20 min内RhB去除率>99%,其速率常数(kobs≈0.24 min-1)显著优于同类研究。自由基路径分析表明,·OH为主导活性物种,而Mo6+/Mo4+与Fe3+/Fe2+的双循环机制是高效降解的关键。催化剂在5次循环后仍保持87.57%活性,且压电催化效率与光驱动反应相当,证实其适用于机械能驱动的绿色水处理技术。该研究为多场耦合催化体系的开发提供了理论支撑与材料基础。

参考文献

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