类型a：学术研究报告

作者及机构
该研究由Ya-Ya Yang（湖南大学环境科学与工程学院）、Hai Guo（湖南工商大学资源与环境学院）、Da-Wei Huang（生态环境部华南环境科学研究所）等共同完成，通讯作者为Da-Wei Huang和Cheng-Gang Niu。研究成果发表于《Chemical Engineering Journal》期刊，2024年479卷，文章编号147863，在线发布于2023年12月3日。

学术背景
该研究属于环境催化与光化学交叉领域，聚焦于无牺牲剂光催化过氧化氢（H₂O₂）生产及原位水消毒技术的开发。H₂O₂作为一种绿色氧化剂和能源载体，在废水处理、消毒和有机合成中具有重要应用，但其传统生产方法（如蒽醌法）存在高能耗和污染问题。光催化技术利用太阳能驱动氧气还原反应（ORR）生成H₂O₂，但面临电荷复合率高、需酸性环境和依赖氧气氛围等挑战。研究团队通过缺陷工程与界面化学耦合双策略，设计了一种硫空位富集的二硫化钼/氮化硼异质结（Sv-MoS₂/BN），旨在同步提升H₂O₂产率和杀菌效率。

研究流程与方法
1. 材料合成
- BN纳米片制备：以尿素和硼酸为前驱体，通过900℃氮气氛围煅烧获得多孔BN。
- Sv-MoS₂/BN异质结构建：通过水热法在BN表面原位生长硫空位富集的MoS₂（Sv-MoS₂），调控硫脲用量引入硫空位，形成化学键合（Mo-N键）。对比样品包括无硫空位的MoS₂/BN-5及物理混合的Sv-MoS₂/BN-5。

1. 表征技术

   • 形貌与结构分析：SEM/TEM显示Sv-MoS₂呈花状微球结构，均匀负载于BN纳米片；HRTEM确认(100)晶面（MoS₂）和(002)晶面（BN）的紧密接触。
     
   • 化学状态验证：XPS和FT-IR证实Mo-N键形成；EPR检测到硫空位特征信号（g=2.002）；BET测试显示Sv-MoS₂/BN-5比表面积（20.90 m²/g）显著高于纯Sv-MoS₂（5.95 m²/g）。
     

2. 光催化性能测试

   • H₂O₂生成实验：在可见光（420 nm滤光）下，以纯水为介质，无牺牲剂和氧气曝气条件下，Sv-MoS₂/BN-5的H₂O₂产率达428.17 μmol h⁻¹ g⁻¹，是MoS₂的5.6倍。动力学分析显示其生成速率常数（kf）最高，分解速率常数（kd）最低。
     
   • 原位消毒实验：以大肠杆菌（E. coli）为模型，Sv-MoS₂/BN-5在60分钟内实现7.78-log灭活。活性氧捕获实验证实H₂O₂为关键杀菌物种。
     

3. 机理探究

   • 氧还原路径调控：通过旋转圆盘电极（RDE）测试和DFT计算，发现硫空位通过降低功函数（5.36 eV vs. MoS₂的5.49 eV）将ORR路径从两步单电子（O₂→·O₂⁻→H₂O₂）转变为一步双电子（O₂→H₂O₂）。
     
   • 电荷分离增强：TRPL和光电化学测试表明，Sv-MoS₂/BN-5的载流子寿命延长，表面复合速率降至0.0023 s⁻¹（MoS₂/BN-5为0.0057 s⁻¹）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 材料性能优化：硫空位和Mo-N键协同提高了光吸收（UV-Vis显示全光谱增强）和电荷分离效率（PL强度降低），为高活性奠定基础。
2. H₂O₂产率提升：RDE测试显示电子转移数（n）接近2，证实双电子路径主导；O₂-TPD表明Sv-MoS₂/BN-5的氧吸附能力增强。
3. 杀菌机制：H₂O₂通过破坏细胞膜（SEM显示膜褶皱和内容物泄漏）和耗尽抗氧化酶（CAT活性先升后降）实现高效消毒。

结论与价值
该研究通过缺陷-界面双调控策略，首次实现了无牺牲剂、宽pH范围（3-9）和实际水体（湖水、废水等）中的高效H₂O₂生产与同步消毒。其科学价值在于揭示了硫空位对ORR路径的调控机制，应用价值则为绿色水处理技术提供了新思路。

研究亮点
1. 创新材料设计：Sv-MoS₂/BN异质结通过Mo-N键实现稳定界面耦合，硫空位优化电子结构。
2. 路径调控突破：实验与理论结合证实硫空位可切换ORR路径，提升H₂O₂选择性。
3. 实际应用潜力：在复杂水体中保持高活性，突破了光催化技术对纯净水介质的依赖。

其他价值
研究提出的“材料-机理-应用”一体化策略为多相催化体系设计提供了范式，且DFT计算与RDE联用方法可为类似研究借鉴。