圖文摘要
近日，河海大學王超院士團隊在Journal of Cleaner Production上發表了題為“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)。該研究通過相位工程和新穎的焦耳加熱策略，在MoS2上的引入了穩定的1T金屬相和豐富的硫缺陷；同時將Fe納米顆粒錨定在催化劑上，以產生耦合的光熱和等離子體。這種催化劑呈現納米花結構，具有高點的電子傳輸能力、豐富的吸附位點以及優秀的光熱轉化能力，能有效地激活過一硫酸鹽（PMS）以降解卡馬西平（CBZ）。
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基于過一硫酸鹽( PMS )的高級氧化技術在水體修復中顯示出巨大的潛力，但催化劑中PMS活性位點的不足和活性位點的低轉化率限制了其在實際中的廣泛應用。因此，設計和合成高效、環境友好的催化劑用于活化PMS引起了人們的廣泛關注。在這項研究中，作者通過在2H相MoS2 ( THMS )中引入1T金屬相來構建具有穩定異質結構的1T/2H多相MoS2（THMS），以實現高電子轉移效率。并提出了一種通過焦耳加熱策略引入硫缺陷以增加催化劑活性位點的新方法，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上以增強局部表面等離子體共振誘導的光熱效應，用于加速活性位點的轉化和PMS的活化。DTHMS@Fe可以通過在模擬可見光下的光熱效應快速提高系統溫度來熱激活PMS，由此觀察到的反應速率是DTHMS/PMS/光系統的2.3倍。我們的工作為利用太陽能光熱轉換構建PMS共活化系統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注的污染物（CECs），同時降低應用成本和能源消耗。
圖文導讀
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的太陽光譜輻照度（灰色）和紫外-可見-近紅外吸收光譜.（d）THMS、DTHMS和DTHMS@Fe在模擬太陽輻射下的太陽光譜中紫外線、可見光和近紅外光的比率以及催化劑的吸收率與太陽光譜的總能量。
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。
圖5（a） ?OH、?SO4-和1O2的清除實驗（猝滅劑的濃度為5mM）。（b） 催化劑/PMS系統中DMPO-?OH和DMPO-?SO4-和（c）TEMP-1O2的EPR信號。（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。
圖6（a）初始pH、（b）腐殖酸、（c）共存離子和（d）PMS劑量對DTHMS@Fe/PMS/light系統的影響。（e） 優化的結構和（b）CBZ的分子靜電勢。（d） CBZ在分解過程中的轉化產物/中間體。
主要結論
總之，本研究開發了一種含有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。在優化的DTHMS@Fe/PMS/light系統，CBZ的降解率（初始濃度為10ppm）在15分鐘內達到99%， DTHMS@Fe反應速率常數分別是初始THMS和DTHMS系統的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相的引入促進了多價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。（3） 基于Fe納米顆粒的等離子體耦合光熱效應激發了反應動力學，同時產生了更多的自由基通道。CBZ的降解是通過自由基途徑和非自由基途徑的協同作用實現的，同時在長時間的操作過程中表現出非凡的穩定性和最低的金屬浸出率。我們的工作試圖將光熱轉換引入PMS共活化系統，并為研究太陽能在環境修復中的應用提供了新的思路。
王超院士團隊實驗中的焦耳加熱儀器，為合肥原位科技有限公司焦耳加熱裝置。
通過焦耳加熱裝置，針對導電材料，科學家可利用其自身的焦耳效應，對其施加電氣環境；針對非導電材料，則可通過我司配備的各類耐高溫極速加熱樣品臺進行加熱，從而使材料在極短的時間內（0~10 S）達到極高的溫度（1000~3000 ℃），升溫速率最快可達到10000k/s。
通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變。
該產品目前廣泛應用在電池、催化、陶瓷、金屬材料等領域，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。
