金属硫化物由于其合适的带隙结构、丰富的活性位点以及优良的可见光响应能力，在光催化领域得到了广泛研究与应用。然而，在光催化过程中，金属硫化物经常出现光腐蚀现象和较低的电荷转移分离效率。近些年来，三元金属硫化物（TMSs）固溶体由于其优异的氧化还原可逆性、高电子电导率和高结构稳定性，被认为是光催化反应中理想的半导体。目前，TMSs固溶体已广泛应用于光催化制氢、光催化固氮和二氧化碳还原等领域，在光催化降解水体中有机污染物特别是光催化还原Cr(VI)方面的报道较少。
近日，内蒙古大学杜春芳教授团队采用简单的水热法合成了一系列Zn0.1Sn0.1Cd0.8Sx (ZSCS)固溶体，应用于Cr(VI)的光催化还原。ZSCS中硫含量的改变诱导立方相CdS向六方相CdS的转变(图1)，同时半导体的带隙结构和硫空位(SV)的含量也得到调控，这两者进一步提升了光生电子(e－)和空穴(h+)的转移和分离效率。在可见光照射下，ZSCS-5在3 min内对Cr(VI)的还原效率迅速达到100%。通过紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)、VB-XPS谱、莫特肖特基(M-S)曲线和紫外光电子能谱(UPS)研究了ZSCS的光吸收特性和带隙结构(图2)。随着S含量的减小，ZSCS固溶体的导带位置更负，具有更强的还原能力。光照过程中产生的活性组分e－、h+、O2•－和1O2共同参与了Cr(VI)的光催化还原过程(图3)。这项工作设计制备了一种可高效还原水体系中Cr(VI)的三元金属硫化物固溶体，并有力证实了通过控制前躯体含量可有效调节光催化剂的能带结构和缺陷数量，从而实现对催化剂催化性能的调控。
图1 不同样品的XRD谱图(a)和局部放大图(b) 图2 不同样品的UV-Vis光谱(a)、能带宽度(b)、VB-XPS谱(c)和带隙结构图(d) 图3. ZSCS-5光催化还原Cr(VI)机理示意图 论文信息 Synthesis of Zn0.1Sn0.1Cd0.8Sx Solid Solutions for Photocatalytic Reduction of Cr(VI): Bandgap Structure and Sulfur Vacancy Regulation Pengfei Zhang, Na Zhang, Zhiliang Liu, Chunfang Du* 文章第一作者为内蒙古大学博士研究生张鹏飞 Chemistry – An Asian Journal DOI: 10.1002/asia.202300089
