在碳纤维布上制备MoS2/Co-MOF纳米复合材料，作为灵活的光热辅助光催化剂用于净化废水

时间：2026年5月16日

来源：Journal of Alloys and Compounds

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中国华东大学环境科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室，上海201620

摘要

光热辅助光催化系统为废水净化提供了一种有前景的方法，但仍面临许多挑战，如光吸收不足、光热-光催化性能有限以及回收性能差等问题。为了解决这些限制，我们报道了一种高效的可回收光热辅助光催化剂，该方法通过两步水热-溶热法将MoS₂/Co-MOF纳米复合材料沉积在碳纤维布（CFC）上。制备的CFC/MoS₂/Co-MOF在（250-2400）纳米范围内具有宽光谱的光吸收特性。在1太阳光照射下，CFC/MoS₂/Co-MOF的表面温度最高，达到39.6°C，而CFC/MoS₂为38.5°C，CFC/Co-MOF为35.4°C，CFC为33.9°C，这得益于MoS₂良好的光热性能。此外，在1太阳光条件下，CFC/MoS₂/Co-MOF在120分钟内对TC（50 mg/L，20 mg/L）的光催化效率最高，达到98.5%，远高于冰浴条件下的68.5%（0°C），这是由于CFC/MoS₂/Co-MOF的光热辅助光催化协同效应。此外，CFC/MoS₂/Co-MOF对CIP抗生素（20 mg/L）以及染料（如罗丹明B（RhB，96.6%）、亚甲蓝（MB，93.5%）和甲基橙（MO，99.4%）的去除效率也很高。重要的是，经过五次回收测试后，CFC/MoS₂/Co-MOF仍保持89.2%的光催化效率，表明其具有实际应用潜力。本研究为制备具有协同效应和高效废水净化性能的可回收光热辅助光催化剂提供了一些见解。

引言

由于世界人口增长和工业发展，有机污染物（包括抗生素和染料）的过量排放不断增加，对人类生活和生态系统造成了严重后果[1]，[2]。为应对这一挑战，已经开发了许多废水处理技术，包括高级氧化[3]、生物降解[4]、电催化[5]和膜分离[6]等，但这些技术通常面临高能耗、二次污染和去除效率低等问题。幸运的是，光催化技术由于其低能耗、低成本、高效率、无毒性和温和的操作条件，成为一种可持续且具有前景的废水净化策略[7]，[8]，[9]。光催化技术的主要挑战在于开发高效、稳定且可回收的光催化剂[10]。最近，许多半导体纳米材料（如氧化物（TiO₂[11]、Ag₂O[12]）、硫化物（MoS₂[13]、CdS[14]）和氮化物（g-C₃N₄[15]）被用于去除废水中的各种污染物。然而，单一光催化剂存在光生电子-空穴对复合速率高的问题[16]。随后，半导体异质结构的构建受到了广泛关注，以加速光生载流子的分离并提高光催化性能[17]，例如Ag₃VO₄/BiVO₄[18]、g-C₃N₄/Bi₄Ti₃O₁₂[19]、SrTiO₃/BaFe₁₂O₁₉[20]、CuO/ZnO[21]和BiVO₄/CoNiFe-LDH[22]。尽管上述异质结构光催化剂具有显著的光催化活性，但由于纳米材料呈粉末状，其实际应用仍受到回收困难的限制。因此，开发可回收的光催化剂以去除污染物是必要的。

为了固定粉末状光催化剂，人们考虑在基底上生长半导体纳米材料，如刚性基底（ITO玻璃和金属箔[23]）和柔性基底（非织造布和碳纤维布（CFC）[24]）。其中，开发柔性光催化剂在废水净化方面受到了广泛关注。具体来说，基于CFC的光催化剂（如CFC/C₃N₄/NiS[25]、CF/MoS₂/Bi₂S₃[26]、CFC/BiOBr/ZIF-67[27]）在四次光照循环测试后仍保持稳定的去除效率（91.8%-80.0%）。然而，这些光催化剂通常在紫外和可见光范围内有较强的光响应，但在近红外或红外范围内响应较弱。应当指出，实现全波长光吸收不仅能够提高光催化性能，还能通过提高反应系统的温度来增强光热转换性能[28]。因此，开发具有光热效应的宽光谱响应光催化剂是有利的。

为了最大限度地利用太阳能，光热辅助光催化系统作为一种可行的方法受到了关注，它结合了光热和光催化组分（如Co₃O₄@ZnIn₂S₄[29]、g-C₃N₄/TiO_2-x[30]和Ag₂CrO₄/Bi₂WO₆[31]），用于氢气（H₂）生产、CO₂还原和废水处理。在该系统中，光热组分不仅吸收光并将其转化为热能以提高反应温度，还加速了光催化组分中的电子转移，从而提高了光热辅助光催化性能（18.9 mmol h^-1 g^-1 H₂，265.2 μmol g^-1 h^-1 CO₂，以及96%的TC去除率）。然而，上述光热辅助光催化剂存在光吸收和光热转换不足的问题，导致光催化效率有限。幸运的是，MoS₂被认为是一种优秀的光热-光催化材料，因为它在可见光到近红外光范围内具有强吸收能力、丰富的活性位点以及有利于界面电荷转移的电子结构，并且具有较大的比表面积[32]。例如，MoS₂@CuS和ZnIn₂S₄/MoS₂异质结构在可见光下表现出高光吸收和光热转换效率，可以在30分钟内去除95%的TC，以及99%的RhB和99%的MO和88%的TC[33]，[34]。然而，基于MoS₂的复合材料在光催化实验中的吸附性能仍有限。因此，制备具有优异吸附性能和改进的光热-光催化性能的复合光催化剂仍然至关重要。

金属有机框架（MOFs）具有高表面积、永久孔隙率、高稳定性和独特的物理化学性质，使其成为催化反应、纳米过滤和制药应用中的有前景的吸附剂和催化剂[27]。多种基于半导体的MOFs（如UiO-66、ZIF-67、MIL-125、Co-MOFs和NH₂-MIL-125(Ti)）已被引入作为共光催化剂。其中，钴基MOFs（Co-MOFs）易于合成、化学稳定性高，并在光催化降解不同类型污染物方面表现出优异的性能。例如，胡S等人[35]制备了一种核壳C/BiOBr@Co-MOF光催化剂，在可见光下30分钟内对MB染料的去除效率达到96%。ZnFe₂O₄@Co-MOF也被制备为光催化剂，显示出高吸附能力（59.4 mg·g^-1）和对CR染料（10 mg/L，87.5%）的光降解效率[36]。尽管基于Co-MOF的催化剂对污染物具有良好的吸附性能，但它们的光催化性能仍有限。因此，有必要开发新型的高去除效率Co-MOF基光催化剂。

在这里，我们报道了一种CFC/MoS₂/Co-MOF柔性光热辅助光催化剂，该方法通过水热法在CFC上原位生长MoS₂纳米片，然后通过溶热法在CFC/MoS₂上沉积Co-MOF纳米颗粒。CFC具有良好的光吸收性能，为MoS₂/Co-MOF复合材料提供了柔性且导电的基底，并易于回收。此外，CFC可以与MoS₂的光热转换效应和光催化剂的电荷分离能力相结合，从而更有效地利用光能并提高对污染物的光催化性能。所得复合材料在可见光照射下120分钟内对抗生素（98.5% TC，96.4% CIP）和有机染料（93.3% MB，96.6% RhB，99.4% MO）的去除效率高于CFC/MoS₂布和CFC/Co-MOF布。此外，该布在循环实验中表现出优异的结构稳定性和可回收性。

章节片段

CFC/MoS₂的生长

本实验中使用的所有化学品均列在ESI中。CFC/MoS₂/Co-MOF布是通过两步水热-溶热法制备的[37]。首先，将碳纤维布（CFC）用含有去离子水、丙酮和乙醇（比例为1:1:1）的混合溶液进行超声处理30分钟。然后在60°C下干燥2小时。通过改进的水热法在CFC上生长MoS₂，加入2 mmol的(NH₄)₆Mo₇O₂₄⋅4H₂O和30 mmol的CH₄N₂S，使用70毫升的水溶液。

合成与表征

MoS₂/Co-MOF复合材料是通过两步水热-溶热法在CFC上制备的（图1a）。处理前，原始CFC的颜色为灰色（图1b），由纤维束组成（图S1a），每根纤维（CF）的直径为5 ± 0.5 μm（图1d）。通过水热法在CFC上生长MoS₂纳米片后，织物的颜色变为深色（图1e）。纤维的直径增加到10 ± 0.5 μm（图1g），并且有许多纳米片分布在纤维上。

结论

CFC/MoS₂/Co-MOF光热辅助光催化剂是通过两步水热-溶热法在CFC上沉积MoS₂/Co-MOF复合材料制备的。该光催化剂表现出优异的性能和特性，总结如下：首先，复合材料具有宽光谱的光吸收（250-2400纳米），能够有效利用太阳光谱；其次，在MoS₂纳米片上沉积Co-MOF纳米颗粒显著提高了...

利益声明

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