苏科大李长明/胡俊蝶Carbon：光催化H2O2的原位生产和活化实现高效杀菌消毒- 大数跨境

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苏科大李长明/胡俊蝶Carbon：光催化H2O2的原位生产和活化实现高效杀菌消毒

科学材料站

2022-01-23

导读：该课题组设计构筑一种2D/2D硫化铟锌/石墨相氮化碳（ZnIn2S4/g-C3N4）催化剂通过空气中氧气的两电子还原过程（ORR）用于光催化原位生产H2O2

文章信息

光催化H₂O₂的原位生产和活化实现高效杀菌消毒

第一作者：邵媛媛

通讯作者：胡俊蝶*，李长明*

单位：苏州科技大学，青岛大学

研究背景

过氧化氢（H₂O₂）是一种重要的环境友好型绿色氧化剂，如何实现现场小规模的H₂O₂生产是目前的研究热点。太阳能驱动原位H₂O₂生产和活化利用的级联反应是一种可持续发展策略，如原位杀菌、有机污染物降解等。然而，如何提高光催化剂生产和活化H₂O₂的能力是目前面临的两大挑战。

文章简介

基于此，苏州科技大学李长明教授、胡俊蝶副教授团队，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Significantly enhanced photocatalytic in-situ H₂O₂ production and consumptionactivities for efficient sterilization by ZnIn₂S₄/g-C₃N₄ heterojunction”的观点文章。

该课题组设计构筑一种2D/2D硫化铟锌/石墨相氮化碳（ZnIn₂S₄/g-C₃N₄）催化剂通过空气中氧气的两电子还原过程（ORR）用于光催化原位生产H₂O₂，并快速分解产生强氧化性活性氧自由基（ROS）用于高效杀菌，如示意图1所示。该工作为H₂O₂的高效原位生成和活化提供了一种有效的光催化材料，并提供了一种有前景的光驱动杀菌消毒策略。

示意图1. ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结的构建及其光催化产双氧水杀菌的示意图。

本文要点

要点一：ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结结构

实验结果表明，通过原位生长方法将ZnIn₂S₄纳米片均匀地垂直修饰在g-C₃N₄纳米片表面，成功构筑2D/2D ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结材料。（图1）

图1. (a) ZnIn₂S₄材料的扫描电子显微镜图。(b) ZnIn₂S₄材料的透射电子显微镜图。(c) 超薄g-C₃N₄材料的透射电子显微镜图。(d) ZIS/CN材料的扫描电子显微镜图。(e) ZIS/CN材料的透射电子显微镜图。(f) ZIS/CN材料的高分辨透射电子显微镜图（插图为其电子衍射图谱）。X射线能谱分析图：(g) ZIS/CN材料的扫描透射图，(h-l) ZIS/CN材料的mapping图，(h) In，(i) S，(j) Zn，(k) N，(l) C。

要点二：ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结光学性质及光电化学性质表征

ZnIn₂S₄能够有效增强g-C₃N₄材料的太阳光响应，此外，ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结可以有效促进光生载流子的分离、传输和迁移效率，抑制光生载流子的重组，有助于提高光生电荷利用率，进而增强光催化活性。（图2-3）

图2. (a) 固体紫外可见光吸收光谱，(b) 材料带隙图，(c) 稳态荧光和 (d) 时间分辨光致发光光谱。

图3. (a) 瞬态光电流对比图，(b) 电化学阻抗对比图。

要点三：ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结的光催化性能

光催化性能实验数据表明，一方面，ZnIn₂S₄有效促进了g-C₃N₄材料的ORR能力，可见光照射下ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结产生H₂O₂的效率高达798.11 μmol h^-1 g^-1；另一方面，ZnIn₂S₄能够有效促进原位生成H₂O₂的高效活化分解，产生大量强氧化性ROS自由基，有利于快速杀菌。（图4）

图4. 不同催化剂光催化性能：(a，b) 光催化制备H₂O₂性能图，(c) 量子效率图，(d) 光催化H₂O₂分解效率图。

要点四：ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结的光催化杀菌性能

如图5所示，ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结在光催化H₂O₂原位制备和持续活化的级联反应中表现出优异的杀菌性能，大肠杆菌在25分钟内被完全消灭，金黄色葡萄球菌在光照60分钟后的灭菌率高达98%。（图5）

图5. 不同催化剂光催化杀菌性能：(a) 大肠杆菌和(b) 金黄色葡萄球菌在不同光照时间下的杀菌效果图。

要点五：反应机理探究

通过DMPO自旋捕获ESR技术检测反应中间体，证实了在光照下ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结具有较强的还原和氧化能力，进而产生更多的强氧化性ROS ·O^2-和·OH自由基，这也在杀菌中起重要作用。同时通过LSV实验证明，ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结在光催化制备H₂O₂过程中的平均电子转移数（n）约为2，表明为2e^-ORR还原过程。（图6和示意图2）

图6. DMPO自旋俘获ESR光谱: (a) 超氧自由基和(b) 羟基自由基。(c) 1.0 ZIS/CN的LSV曲线，(d) RDE分析所得数据的Koutecky-Levich图。

示意图2. ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结光催化原位生产H₂O₂并通过级联反应杀菌的机理图。

文章链接

Significantly enhanced photocatalytic in-situ H₂O₂ production and consumption activities for efficient sterilization by ZnIn₂S₄/g-C₃N₄ heterojunction

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.01.019

通讯作者简介

胡俊蝶副教授

江苏省“双创博士”，苏州科技大学材料科学与工程学院副教授，2019年博士毕业于苏州大学材料与化学化工学部。研究兴趣为新型纳米复合材料在新能源及环境修复领域的应用，包括光催化技术在分解水制H₂/O₂、CO₂还原、H₂O₂原位制备、废气/废水治理等方向的研究。迄今以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., Nano energy, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表高质量SCI论文20余篇；总被引800余次；主持/完成科研项目6项；申请/授权国家发明专利13项。

李长明教授

欧洲科学院院士、俄罗斯工程院外籍院士、美国医学与生物工程院院士，现苏州科技大学材料科学与工程学院院长。主要研究兴趣包括功能材料（能源、生物）、清洁能源（锂电池，燃料电池，氢能源，超级电容器，太阳能电池等）、生物传感与芯片。已发表700多篇 SCI 顶尖论文，美国和中国等专利280多项，国际/国内学术大会主题或邀请报告200多次，SCI总引用37,000多次，H因子92。2014年来连续荣获汤森路透全球材料科学精英，科睿唯安全球交叉学科和爱思唯尔全球材料高被引科学家。

课题组介绍

详细信息见课题组主页：

http://clxy.usts.edu.cn/info/1113/1438.htm

http://clxy.usts.edu.cn/info/1112/1042.htm