超越光催化：V?O?/g-C?N?/Ti?C?三元体系中的“类微质子电池”机制实现无需光照的环境修复

《Journal of Catalysis》：Beyond photocatalysis: “micro proton-battery-like” mechanism in V 2O 5/g-C 3N 4/Ti 3C 2 triads enables light-independent environmental remediation

　　光催化降解抗生素四环素新策略：V?O?/g-C?N?/Ti?C?三元复合材料通过微质子电池机制实现昼夜连续催化，在可见光下降解率达93.9%，黑暗中仍保持64.1%活性，电子存储能力提升8倍。DFT证实V??/V??还原与Ti?C?质子缓冲协同作用，建立光催化-电化学储能耦合范式。

　　太阳能驱动的光催化技术在环境治理中扮演着重要角色，尤其在处理水体中的抗生素残留等污染物方面具有巨大潜力。然而，这类技术的一个主要瓶颈在于其依赖于光照条件，即光催化反应只能在白天进行，夜晚则因缺乏光能而无法持续运行。为了解决这一问题，研究团队提出了一种创新性的解决方案——通过构建一种“微型质子电池”机制，实现光催化反应的全天候持续性。这种机制不仅克服了传统光催化技术在光照不足时的活性下降问题，还为环境污染物的持久治理提供了新的思路。

研究中所采用的材料是一种三元复合体系，即V?O?/g-C?N?/Ti?C?复合物。其中，g-C?N?作为一种具有可见光响应能力的半导体材料，是光催化反应的核心组成部分。其独特的层状结构使得它能够有效地吸收可见光，并将光能转化为电子-空穴对。然而，传统的g-C?N?材料在黑暗条件下无法维持催化活性，因为光生电子和空穴容易在极短时间内复合，从而导致活性的急剧下降。为了解决这一问题，研究团队引入了V?O?作为电子存储介质，并结合了Ti?C? MXene材料，以构建一个兼具光催化与电化学储能功能的复合系统。

V?O?作为一种典型的过渡金属氧化物，具有优异的电化学性能，尤其是其在电荷存储方面的潜力。在光照条件下，V?O?能够通过V??/V??的可逆氧化还原反应捕获光生电子，从而有效地延长电子的寿命，并为后续的催化反应提供储备能量。这种电子存储机制在黑暗条件下尤为关键，因为它能够释放之前存储的电子，继续参与氧化还原反应，生成具有强氧化能力的活性物种，如·O??。与此同时，Ti?C? MXene因其优异的导电性和可调节的功函数，被用作电子通道和质子缓冲材料。Ti?C?的表面终止基团（如-O和-OH）能够吸附质子，为反应提供额外的驱动力，同时通过优化半导体与储能材料之间的肖特基势垒，实现电子的单向传输，从而提高整个系统的催化效率。

这种三元复合体系的设计不仅考虑了材料的物理和化学特性，还基于电化学和光物理的基本原理，通过系统性的材料选择和结构调控，实现了光催化与电化学储能的协同作用。研究团队采用了一种两步合成策略，成功制备了具有独特结构的VCT复合材料。在光照条件下，该材料能够像一个微型的光电化学电池一样运作，将光能转化为电能并储存；而在黑暗条件下，通过Ti?C? MXene的双重作用，系统能够自主释放储存的电子和质子，维持催化活性。这种机制有效地解决了传统光催化材料在黑暗条件下活性不足的问题，实现了全天候的污染物降解能力。

实验结果表明，该VCT复合材料在可见光照射下能够实现高达93.9%的四环素降解效率，而在无光照条件下仍能保持64.1%的催化效率。这一数据充分证明了该材料在黑暗条件下的优异性能，显示出其在实际应用中的巨大潜力。更进一步，通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队验证了在光照条件下，V?O?中的V 3d轨道会发生电荷局域化，而在黑暗条件下，Ti?C? MXene能够促进电子的释放，从而生成·O??等活性氧物种。这一过程不仅增强了材料的光催化性能，还为其实现持续运行提供了理论支持。

除了在抗生素降解方面的应用，这种三元复合体系还展现出应对其他环境污染物的能力。由于其结构的可调控性和材料的可扩展性，VCT复合材料有望被应用于更广泛的污染物治理领域，包括全氟和多氟烷基物质（PFAS）以及微塑料等新兴污染物。这使得该材料不仅适用于当前的环境问题，还具备应对未来环境挑战的潜力。

从材料科学的角度来看，这一研究突破了传统光催化技术的局限性，为构建可持续、高效的环境治理系统提供了新的范式。通过将光催化与电化学储能相结合，研究团队成功实现了光催化反应的“全天候”运行，这在实际应用中具有重要意义。特别是在光照条件不稳定或无法持续的环境中，这种材料能够维持其催化活性，从而提高污染物处理的效率和可靠性。

此外，该研究还强调了材料设计的系统性和协同性。传统的光催化材料往往只关注单一功能，而忽视了不同组分之间的相互作用。相比之下，VCT复合材料通过精确的材料选择和结构调控，实现了各组分之间的功能互补和协同增强。例如，V?O?不仅作为电子存储介质，还通过其氧化还原特性调节电子的传输路径；g-C?N?则作为光吸收和电子传输的平台；Ti?C? MXene则在电荷传输和质子缓冲方面发挥关键作用。这种多组分协同设计的方式，使得材料在性能上得到了显著提升，同时也为未来材料的开发提供了新的思路。

从技术实现的角度来看，该复合材料的制备过程具有一定的可扩展性。研究团队采用了一种无溶剂的合成方法，这不仅降低了合成过程中的能耗和污染，还提高了材料的环境友好性。这种绿色合成策略对于推动环保技术的发展具有重要意义，同时也符合当前可持续发展的趋势。此外，该材料的结构和性能可以通过调整各组分的比例和合成条件进行优化，使其能够适应不同的应用场景和需求。

从应用前景来看，这种三元复合体系具有广泛的应用潜力。除了在水体污染物治理方面，它还可以被用于空气净化、土壤修复等其他环境治理领域。通过引入不同的光催化剂和储能材料，该体系可以被进一步拓展，以应对更多种类的污染物。同时，由于其高效的电子存储和释放能力，这种材料还可能在太阳能电池、储能设备等其他领域中发挥重要作用。

从环境治理的实际需求来看，这种全天候运行的光催化材料能够显著提高污染治理的效率和连续性。传统的光催化技术往往需要依赖外部光源，这在实际应用中存在诸多限制，如光照强度不足、光照时间不长等。而VCT复合材料能够在没有光照的情况下继续工作，这意味着即使在夜晚或阴雨天气，污染物的降解过程仍能持续进行。这种特性使得该材料在实际环境治理中具有更高的适用性和可靠性。

在环境科学和工程领域，污染物的持续治理是一个长期而复杂的问题。传统的治理方法往往难以实现高效、持续的降解过程，而VCT复合材料的出现则为这一问题提供了新的解决方案。通过将光催化与电化学储能相结合，该材料不仅克服了光照条件的限制，还实现了催化反应的持续性，这在环境治理中具有重要的意义。同时，该材料的高效性和稳定性也使其在实际应用中更具可行性。

总的来说，这项研究不仅在理论上突破了传统光催化技术的局限性，还在实践中展示了其在环境治理中的巨大潜力。通过构建一个“微型质子电池”机制，VCT复合材料实现了光催化反应的全天候运行，为环境污染物的持续治理提供了一种全新的思路。这一成果不仅有助于提高光催化技术的实用性，还为未来的材料设计和环境治理技术的发展提供了重要的参考价值。