https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120180
前 言
近期，Applied Catalysis B: Environmental杂志在线发表了华南理工大学彭新文教授团队在光催化生物质领域的最新研究成果。该工作报道ZnS@Bi2S3高效催化木糖氧化为木糖酸的工作。论文第一作者为：李铭赛，论文共同通讯作者为：彭新文，钟林新。
背景介绍
实验室主要依托华南理工大学轻工科学与工程学院、制浆造纸工程国家重点实验室、造纸与污染控制国家工程中心、国家教育示范中心等单位，主要从事生物质新材料与转化利用基础研究、生物质基能源材料与功能高分子构建技术及在有机合成、能源化学品、电催化与储能、智能传感与柔性/2D材料等领域应用。本文旨在构建新型高效的光催化剂，并利用光催化的方式对单糖进行高效选择性氧化，做到单糖的高值化利用。为更好的实现生物质资源的高值化利用提供了一种新思路。
本文亮点
以硫酸锌和硫酸铋为Zn源和Bi源，通过水热法制备得到了Zn掺杂的Bi2S3纳米片光催化剂，并应用于光催化氧化木糖合成木糖酸。研究结果表明，ZnS@Bi2S3具有二维片状结构，与纯硫化铋光催化剂相比，2D ZnS@Bi2S3光催化剂具有更广的可见光范围，在碱性条件下可以较好地催化木糖合成木糖酸。与传统的硫化物相比，提高了其抗光腐蚀性能，为传统的硫化物光催化剂提供了一种新的提高光催化稳定性能的途径。结合催化过程使用的催化剂制备较为简单、稳定性好、能耗低和重复利用等优点，说明该催化制备木糖酸的过程在工业生产上具有一定的潜力。
图文解析
本研究工作中的催化剂通过一步水热法合成制得，通过SEM，TEM等相关表征可知，ZnS@Bi2S3具有典型的二维片状结构，在HRTEM中可以看到ZnS和Bi2S3晶格条纹，晶面与XRD数据相吻合。
图1. 催化剂的合成及形貌表征
通过XPS数据可知，在催化剂中Bi元素为正三价；Zn元素为正二价；硫元素为负二价。通过固体紫外数据表明，随着锌元素加入的量的不同，光吸收范围发生变化，带隙随之改变。
图2. 催化剂的XPS谱图及带隙分析
以ZnS@Bi2S3作为光催化剂光催化氧化木糖合成木糖酸。在反应条件为100 mg木糖，40 mg催化剂，9 mL水，1mL 0.8 mol /L KOH，40 ℃，反应2小时条件下，木糖的转化率和木糖酸的产率可达91.67%和74.24%，实验结果表明，催化剂在循环使用10次后，木糖的转化率和木糖的产率依然可以达到最初值的99.53%和92.3%。
图3. 催化剂光催化性能分析
通过DFT理论计算、ESR和XPS价带谱等相关数据表明，Zn的引入增强了催化体系的反应性能，木糖可以高效选择性氧化为木糖酸，在反应体系中起主要作用的活性物种是羟基自由基。
图4. 反应机理分析
全文小结
以硫酸锌和硫酸铋为Zn源和Bi源，通过一锅水热法制备得到了Zn掺杂的Bi2S3纳米片光催化剂，并应用于光催化氧化木糖合成木糖酸。研究结果表明，2D ZnS@Bi2S3具有典型的纳米二维片状结构，与纯硫化铋光催化剂相比，ZnS@Bi2S3光催化剂具有更广的可见光范围，在碱性条件下可以较好地催化木糖合成木糖酸。经过10次循环的试验后，2D ZnS@Bi2S3的催化性能并没有明显的下降，与传统的硫化物相比，提高了其抗光腐蚀性能，为传统的硫化物光催化剂提供了一种新的提高光催化稳定性能的途径。在此研究中，木糖的转化率和木糖酸的产率可达91.67%和74.24%，结合催化过程使用的催化剂制备较为简单、稳定性好、能耗低和重复利用等优点，说明该催化制备木糖酸的过程在工业生产上具有一定的潜力。
作者介绍
彭新文，华南理工大学教授。主要研究方向为：生物质新材料与转化利用基础研究、生物质基能源材料与功能高分子构建技术及在有机合成、能源化学品、电催化与储能、智能传感与柔性/2D材料等领域。
文献信息
Mingsai Li, Linxin Zhong, Wei Chen et. al. Regulating the electron–hole separation to promote selective oxidation of biomass using ZnS@Bi2S3 nanosheet catalyst. Applied Catalysis B: Environmental, 292: 120180.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321003064
