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2D/2D 磷烯/BiOI S型异质结用于真实太阳光下亚分钟级光催化水消毒
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研究背景 全球超8亿的中低收入国家人民持续缺乏基本饮用水服务，高达80%的疾病可归因于水传播微生物。太阳能消毒（solar disinfection，SODIS）是目前被广泛采用的消毒技术，其便捷性是只需将受微生物污染的水置于透明容器中暴晒，即可实现微生物灭活。然而在自然阳光下需要6–48小时的长耗时暴露期，并且SODIS严重依赖紫外光子（其仅占太阳能4%，且紫外光子在水中传播时衰减很快）。因此人们希望捕获可见光光子（约占太阳能50%）的额外能量，以加速缓慢的动力学过程。 在该工作中，研究团队以可见光响应的磷烯纳米片（PNs）和BiOI纳米片（BS，其中BiOI是碘氧化铋）为模型材料，通过协同调控异质结组分的宏观几何结构和微观能带结构，克服了光生电荷载流子面临的动力学与热力学限制。一方面，PNs和BS都具有2D纳米结构，能够形成紧密的“面对面”接触，界面相互作用强，从而实现快速电荷载流子转移；另一方面，明确的S型能带排列使具有强还原能力的光生电子和强氧化能力的光生空穴得以保留，从而提升活性氧物种（reactive oxygen species，ROS）的生成效率。 得益于这种双层次优化，可见光能量的损失从动力学和热力学角度均被有效抑制。在0.8 wt% PNs的最佳配比下，所得PNs/BS异质结表现出亚分钟级水消毒能力，在真实太阳光照射下45秒内，将初始浓度约10⁷ cfu/mL（7个对数级）大肠杆菌完全灭活。此外，该催化剂在连续流固定床（fixed-bed）反应器中实现了24小时不间断水净化，展现出实际用水点（point-of-use，POU）消毒应用的潜力。文章发表于Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-026-69101-z 研究过程与结果 研究团队首先采用密度泛函理论（DFT）计算研究PNs的带隙能量，以指导对其层厚度的合理控制，从而优化其作为异质结组分的性能。计算表明，PNs层数减少会导致电荷载流子氧化还原能力增强，超薄PNs的合成预期会增强其与BS的接触，有利于加强两种组分之间的界面相互作用。研究团队以朗伯-比尔定律为基本分析原理，系统考察了21种有机-水混合体系对PNs剥离效率的影响，确定了最佳溶剂乙醇/水体系（V乙醇/V水=50%）用于PNs生产。通过在乙醇/水体系中剥离块体BP（块体黑磷），所得PNs具有优异的结晶状态，成功制备了超薄PNs。 为了进一步验证两种材料之间的电子转移，进行了DFT计算，结果表明BS表面会吸引来自相邻PNs的电子。这种电子转移行为通常与异质结两侧组分之间建立紧密电子相互作用有关，而强界面电子相互作用预期会促进两种材料之间的快速电荷转移。基于这一预期，研究团队开展了飞秒瞬态吸收光谱测量，发现PNs与BS构筑异质结后产生了一个额外的超快路径（约2.1 ps），这可归因于光生电子在两种组分之间的转移。这种超快转移过程预期能够抑制各组分内部电子和空穴复合，从动力学角度有效减少光子能量损失。 结合PNs和BS的能带结构以及上述二者之间电子转移方向的实验和DFT发现，预期在PNs/BS界面形成典型的S型能带排列：PNs因导带位置更负充当还原型组分，BS因价带位置更正充当氧化型组分。无光照时，电子自发从PNs转移到BS，在异质结上建立从PNs指向BS的内建电场。在光照下，该内建电场促进BS导带中的光激发电子与PNs价带中的光生空穴复合。因此，能量有利的电荷载流子得以保留在PNs的导带和BS的价带中。这种S型能带排列预期会增强电荷载流子的ROS生成能力，从热力学角度有效减少光子能量损失。 值得注意的是，本研究提出的策略——协同优化异质结组分的宏观几何结构与微观能带结构之间的匹配性——具有广泛适用性，因为将PNs与BiOBr或BiOCl纳米片复合后也观察到显著增强的抗菌活性。在可见光照射下，0.8PNs/BS可在5分钟内实现大肠杆菌的7个对数级完全灭活，与那些在30分钟内实现大肠杆菌完全灭活的材料相比，其细菌浓度降幅高出1–2个对数级。而对于初始细菌浓度为7个对数级的消毒体系，迄今为止报道的抗菌材料至少需要60分钟才能实现大肠杆菌完全灭活，且这些材料（如SGO-ZnO-Ag）本身存在一定的生物相容性或生物耐受性问题。据作者所知，对于初始大肠杆菌浓度约10⁷ cfu/mL 的体系，此前尚无催化剂表现出如此出色的消毒效果。 此外，将0.8PNs/BS的消毒效果与广泛研究的P25 TiO₂（20 nm）进行比较，在真实太阳光照射下，0.8PNs/BS仅用45秒内实现大肠杆菌的7个对数级完全灭活，表现显著优于P25 TiO₂；其一级反应速率常数约为P25 TiO₂的221倍。更重要的是，0.8PNs/BS进一步验证了其在连续流固定床反应器中的适用性，可实现长达24小时的持续水净化，突出了其在实际POU消毒应用中的前景。 PWmat在该工作中的作用 本研究DFT计算部分均使用PWmat完成。PWmat计算了多层磷烯纳米片（PNs）的带隙，用于指导 PNs 的层厚控制；构建 PNs/BS 复合体系模型，计算差分电荷密度，证明PNs和BS之间存在强界面电子相互作用和定向电子转移，为“面对面”2D/2D 异质结的界面耦合提供依据；计算磷烯和BiOI的功函数，表明两者功函数之差正是电子从 PNs 向 BS 定向转移的驱动力——在界面建立内建电场，诱导层间电子耦合，并促进快速电荷转移；结合实验得到的能带位置和 DFT 给出的电子转移方向，论证了 PNs/BS 界面形成典型的 S 型能带排列：PNs 作为还原型组分，BS 作为氧化型组分，保留高还原性电子和高氧化性空穴，从而增强 ROS 的生成能力。     |
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