浙江工业大学Bingjun Pan等–激发涂覆在S,N-石墨烯上的MoS2纳米片的内在活性以实现高效的膜电过滤

协调石墨烯基复合膜的活性位点和电子传输的策略对于它们在有机废水的电过滤处理中的应用至关重要。在这项研究中，通过一种简单的策略开发了一种异质MoS₂涂层的S,N-石墨烯（SNG）膜（O-MoS₂@SNG）。O-MoS₂@SNG的电化学性能在MoS₂负载量为7.3wt%时得到了优化，在在线电过滤系统中表现出对双酚A卓越的电催化性能（>90%），且渗透量大。光谱结构表征和宏观实验结果显示，Mo-O-C异质界面的产生使MoS₂纳米片与SNG基底结合，与Mo-C界面相比，它大大促进了MoS₂@SNG的电子转移。此外，O-MoS₂@SNG中MoS₂边缘的Mo(VI)-O可以通过关键的MoIV/MoVI氧化还原夫妇作为活性中心，这将有助于提高电化学活性。密度函数理论（DFT）计算也证实，非配位的Mo是具有最佳构建能量的双酚A降解的活性位点，Mo-O-C异质面促进了电子转移，提高了电化学降解效果。

图1. (a) O-MoS₂@SNG中S,N-石墨烯上的O-MoS₂纳米片；通过Mo-O-C（b）和Mo-C（c）界面涂覆在SNG上的MoS₂示意图；(d) O-MoS₂@SNG的TEM图像；(e) TEM图像显示SNG上O-MoS₂纳米片的折边；(f)O-MoS₂纳米片折叠边缘的放大图像；(g)高分辨率TEM图像显示SNG片上具有高度暴露面的纳米化O-MoS₂；放大的方形区域（h）和FFT图案（k）显示了晶格。

图2. O-MoS₂@SNG、MoS₂@SNG和MoS₂的DR-FTIR光谱（a）和拉曼光谱（b）。

图3.（a）MoS₂（黑色方块）、SNG（蓝色上三角）、MoS₂+SNG（粉色下三角）和O-MoS2@SNG（红色圆圈）作为阳极膜材料在3.5V下的BPA去除效率。[BPA]=10 mg L-1，[Na2SO4]=100 mg L-1，[O-MoS₂@SNG]、[MoS₂]和[SNG]=12.5 mg，J = 0.5 ± 0. 05 mL min-1；（b）MoS₂、SNG、MoS₂+SNG和O-MoS₂@SNG在不同电位（0-3.5 V）下对BPA的电化学降解；（c）O-MoS₂@SNG在不同电位（0、1、2和3.5 V）下对BPA的电化学降解；（d）O-MoS₂@SNG在长时间运行试验（3.5 V）下对BPA氧化的稳定性。

图4. (a)随着O-MoS₂/SNG比例的增加，O-MoS₂@SNG上O-MoS₂结构的演变；(b)MoS₂、O-MoS₂@SNG-1、2、4、8作为阳极膜材料在3V下的BPA去除效率。[BPA] = 10 mg L-1, [Na₂SO₄] = 100 mg L-1, [O-MoS₂@SNG] = 12.5 ± 0.5 mg, J = 0.5 ± 0.05 mL min-1; (c) 不同O-MoS₂@SNG样品在0-3.5 V电位下的电化学性能; (d) 不同缺陷O-MoS₂@SNG样品的特性。与MoS₂相比，缺陷的O-MoS2@SNG-1、2、4和8的Mo-S悬空键产生的电子顺磁共振（EPR）光谱。

图5：（a）MoS₂、O-MoS₂@SNG-1、2、4和8作为阳极膜电极的Mo 3d和S 2s的XPS光谱。注：A：S；B：Mo^IV；C：Mo^V；D：Mo^VI-O；（b）O/Mo和S/Mo比率的演变作为O-MoS₂/SNG比率的函数，以及Mo状态（Mo^IV、Mo^V和Mo^VI）与BPA降解效率之间的关系。

图6. (a, b) 不同样品在Fe^2+/3+(H₂O) + H₂SO₄溶液中的CVs。[Fe^2+/3+(H₂O)] = 1 mM，在[H₂SO₄] = 0.5 M；扫描速率：50 mV s^-1；（c）MoS₂@SNG的结构模型和电降解过程的说明。”e “代表电子，”P “代表双酚A的污染物。

图7. O-MoS₂@SNG的电催化过滤机制示意图。

图8. BPA在Mo边缘（a）和S边缘（d）的局部吸附构型；MoS₂@SNG通过Mo（VI）-O-C（b）和Mo-C界面（e）的优化电子结构模型；MoS₂@SNG的平面平均电子密度差，其中电子转移发生在Mo-C（c）和Mo（VI）-O-C异质界面（f）。深青色、黄色、白色、红色、蓝色和灰色球体分别表示Mo、S、H、O、N和C原子。

相关研究成果由浙江工业大学Bingjun Pan等人2023年发表在ACS ES&T Water (https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00050)上。原文：Stimulating the Intrinsic Activities of the MoS2 Nanosheet Coated on S,N-Graphene for Efficient Membrane Electrofiltration。