南华大学张也教授/苏州大学严锋教授ACB: 一石三鸟: 压电-光催化协同环境修复系统实现离子液体降解、产氢与铀酰离子还原

邃瞳科学云

2025-04-02

导读：本研究制备了具有In-O和Se-P界面共价键的In2Se3@Ag3PO4S型压电-光催化剂，用于高效降解1-丁基-2,3-二甲基咪唑溴盐（[BMMIm]Br）。

第一作者：章馨怡，陈银香

通讯作者：张也，严锋

通讯单位：南华大学，苏州大学

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125314

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近日，南华大学化学化工学院张也教授与苏州大学严锋教授团队在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表了题为“Three Birds with One Stone: A Piezo-Photocatalytic System for Synergistic Environmental Remediation through Simultaneous Ionic Liquids Degradation, H₂ Production, and Uranium Reduction”的研究论文。本研究制备了具有In-O和Se-P界面共价键的In₂Se₃@Ag₃PO₄S型压电-光催化剂，用于高效降解1-丁基-2,3-二甲基咪唑溴盐（[BMMIm]Br）。实验结果表明，在压电-光催化作用下，[BMMIm]Br的降解率可达98.3%。值得注意的是，[BMMIm]Br同时作为空穴牺牲剂，实现了582.7 μmol g^-1 h^-1的同步产氢速率，并对放射性重金属离子U(VI)达到97.2%的协同去除效率，达成"一石三鸟"效应。这项工作为多功能压电光催化剂的设计提供了一种新的策略，为同时进行环境修复和能源生产提供了一条有希望的途径。

背景介绍

离子液体（ILs）因其能够破坏细胞膜、神经系统和生物发育的特性，已成为水体环境中持续存在的污染物，对生态系统和人类健康构成重大威胁。当前研究主要集中于单一污染物的去除，然而随着水污染问题日益复杂化以及对可持续能源解决方案的迫切需求，亟需开发能够将环境修复与能源生产相结合的创新技术路径。压电催化作为一种新兴技术，因其能够利用振动、波浪或人类活动等环境来源的机械能驱动催化反应而备受关注。该技术与光催化协同作用在废水处理、污染修复以及可再生能源领域展现出巨大的应用潜力，尤其是在传统光催化或电催化技术受到环境因素限制的情况下。

本文亮点

1. 构建了具有In-O和Se-P共价键的In₂Se₃@Ag₃PO₄S型异质结催化剂。

2. 该催化剂在高效降解离子液体（ILs）的同时，可实现产氢（H₂）与铀（U(VI)）还原。

3. 系统的毒性测试证实降解中间体的毒性显著降低。

4. 凝胶微球催化剂表现出优异的环境适用性与循环稳定性。

图文解析

要点1：从SEM、TEM、HRTEM、EDS以及XRD的测试结果可以得出，In₂Se₃@Ag₃PO₄被成功制备，并呈现纳米花负载纳米颗粒的结构。同时，进一步的表征证明Se-P和In-O双共价键的形成。

图1. (a) In₂Se₃@Ag₃PO₄合成过程示意图；(b-c) In₂Se₃微米花和Ag₃PO₄纳米颗粒的SEM图像；(d-e) I-A-3样品的SEM和TEM图像；(f) I-A-3的HRTEM图像及对应的(g) In、Se、Ag、P和O元素EDS面分布图；(h) XRD图谱；(i-m) 不同催化剂的Ag 3d、P 2p、O 1s、In 3d和Se 3d的XPS能谱图。

要点2：In₂Se₃与Ag₃PO₄构建成异质结显著提高了光生载流子的分离效率，并展现出了良好的压电响应。

图2. (a) 瞬态光电流响应；(b) 瞬态开路电位曲线；(c) 时间分辨光致发光衰减谱；(d) In₂Se₃、Ag₃PO₄和I-A-3的质子还原LSV曲线；(e-f) I-A-3在暗和光照条件下的对应开尔文探针力显微镜电势图及接触电势差曲线；(g) I-A-3压电性能测试：形貌图、振幅图、相位图以及振幅和相位曲线。

要点3：通过实验证明In₂Se₃与Ag₃PO₄构建成S型异质结，并通过理论计算进一步证明双共价键的形成。

图3. (a-b) In₂Se₃与Ag₃PO₄的紫外-可见漫反射光谱及对应的Tauc曲线图（插图为带隙计算）；(c-d) In₂Se₃与Ag₃PO₄的VB-XPS；(e) In₂Se₃与Ag₃PO₄的能带结构示意图；(f-h) 分别为In₂Se₃、Ag₃PO₄和I-A-3的功函数测试结果（插图展示各材料的晶胞结构）；(i-k) 分别为In₂Se₃、Ag₃PO₄和I-A-3的紫外光电子能谱；(l) In₂Se₃@Ag₃PO₄异质结的优化构型(上)及I-A-3异质结的平面与三维电荷密度差分图（下）（黄色和蓝色区域分别代表电子密度增高和降低区）。

要点4：In₂Se₃与Ag₃PO₄对离子液体在压电耦合光催化模式下展现出了卓越的催化能力。将粉末催化剂组装成更利于回收的凝胶小球后，该催化剂在实际水体环境中展现良好的应用前景。

图4.(a-c) In₂Se₃、Ag₃PO₄和I-A-3样品在光催化、压电催化及压电-光催化协同作用下对[BMMIm]Br的降解效果，以及(d)对应的去除率对比；(e-g) [BMMIm]Br在不同pH值、催化剂投加量和超声功率条件下的压电-光催化降解性能；(h) 离子液体降解性能对比；(i) I-A-3凝胶球催化剂实物图；(j-k) I-A-3粉末与凝胶球催化剂的性能对比；(l) 循环稳定性测试结果。

要点5：In₂Se₃@Ag₃PO₄异质结在含有离子液体的废水中展现出高效的产氢以及铀酰还原性能，并对其作用机理进行了深入的研究和详细阐述。

图5. (a) 不同催化剂随时间变化的产氢量；(b) I-A-3在不同浓度条件下的产氢性能；(c) I-A-3产氢循环稳定性及同步降解[BMMIm]Br效果；(d) 基于Bader电荷理论计算的In₂Se₃-H₂O、Ag₃PO₄-H₂O和I-A-3-H₂O吸附能；(e) H₂吸附能示意图；(f) 不同[BMMIm]Br浓度下U(VI)的去除效率；(g) I-A-3在[BMMIm]Br与U(VI)共存体系中的协同去除效率及对应的(h)反应速率常数。

要点6：对体系进行了系统毒性评估，包括计算毒性、斑马鱼生长和豆芽发育的评估，以验证降解中间体的毒性降低，强调了该方法的潜在实际应用。

图6. (a) 模拟自然废水压电光催化处理示意图；(b-d) 凝胶球催化剂在去离子水、自来水和湘江水中对[BMMIm]Br的降解效率；(e-f) 阴离子和阳离子干扰实验；(g) 不同系统中斑马鱼的发育情况；(h) 不同系统中斑马鱼体长的对比；(i) 不同系统中豆芽的生长情况；(j) 不同系统中豆芽芽长和根长分布的小提琴图；(k) 通过ECOSAR程序评估的[BMMIm]Br及其降解中间产物的急性和慢性毒性计算结果。注：I：空白对照组；II：去离子水组；III：自来水组；IV：处理后的湘江水组；V：45 mg/L [BMMIm]Br组。

总结与展望

总结而言，我们通过原位水热法成功合成了一种具有Se-P和In-O界面共价键的In₂Se₃@Ag₃PO₄S型压电光催化剂。该设计实现了"一石三鸟"的效果：（1）在压电光催化作用下实现[BMMIm]Br 98.3%的降解率；（2）无需牺牲剂即可实现582.7 μmol g^-1 h^-1的同步产氢效率；（3）高效处理复杂废水，对[BMMIm]Br降解率达99.6%，对U(VI)还原率达97.2%。DFT计算证实光生电子可从In₂Se₃高效转移至Ag₃PO₄，在界面共价键和In₂Se₃压电效应的协同作用下形成S型异质结，显著提升了载流子分离与传输效率。此外，该异质结还显著降低了水吸附的吉布斯自由能和产氢所需的活化能。后续通过动植物模型进行的毒性评估验证了降解产物生态毒性的降低，证明了该系统的实际应用价值。总体而言，本研究为多功能压电光催化剂提供了一种资源节约型策略，为同步实现环境修复与清洁能源生产提供了可行路径，推动了可持续发展进程。

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