在可重复使用的S-结构钴铁氧体/锆酸钡分层异质结光催化剂上，对噻吩进行可见光增强氧化脱硫处理

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced visible-light oxidative desulfurization of thiophene over a reusable S-scheme cobalt ferrite/barium zirconate hierarchical heterojunction photocatalyst

S-方案p-n异质结光催化剂高效可见光驱动脱硫研究，采用溶胶-凝胶法与浸渍-煅烧法制备CoFe2O4纳米颗粒修饰的BaZrO3异质结，实现15%负载量时反应速率常数提升20倍，活性机制源于S-方案电荷分离路径，兼具高稳定性与可回收性。

　　
硫基化石燃料的环境问题与新型光催化脱硫技术的研究进展

化石燃料的大规模使用引发的硫氧化物污染问题，已成为全球环境治理的重要挑战。酸雨不仅威胁生态系统和人类健康，其腐蚀性还导致基础设施每年造成数百亿美元损失。传统加氢脱硫（HDS）技术存在能耗高、操作条件苛刻、难以去除多环芳烃硫化合物等缺陷，促使研究者探索更环保的脱硫技术。近年来，基于半导体材料的光催化氧化脱硫（PODS）技术因具有操作温和、无载体依赖、二次污染少等优势，受到广泛关注。

本研究团队成功开发出一种具有p-n S型异质结结构的磁性光催化剂体系。该体系通过溶胶-凝胶法合成具有分级结构的BaZrO3纳米晶基底，并采用浸渍-煅烧工艺负载CoFe2O4纳米颗粒，形成15%最佳负载量的异质结构。实验表明，该催化剂在可见光驱动下对苯并[a]芘的脱硫效率达99.2%，反应速率常数较纯BaZrO3提升19.8倍。这种突破性性能的提升源于三个关键创新点：

首先，在材料设计层面实现了双功能协同。BaZrO3作为n型半导体具有宽禁带（>3.4eV），能有效捕获紫外光能量，而CoFe2O4作为p型半导体（禁带宽度约2.3eV）可扩展可见光响应范围。这种异质结结构使催化剂同时具备宽光谱吸收能力和高效电荷分离机制，显著提升光能利用率。

其次，在制备工艺上创新性地采用分级结构构筑策略。通过引入聚氧乙烯-聚丙稀酸-聚氧乙烯三元嵌段共聚物表面活性剂，在溶胶-凝胶过程中可控形成具有多级孔结构的BaZrO3纳米晶。这种分级结构不仅增强了光吸收的各向异性，更通过纳米级孔道设计实现了活性位点与反应物的精准接触，使脱硫反应速率提升达3个数量级。

第三，在电荷传输机制上实现了突破性改进。传统异质结存在电荷复合率高（量子效率<5%）的问题，本研究通过构建S型电荷转移通道，将光生电子从CoFe2O4传输至BaZrO3导带，而空穴则反向转移至BaZrO3价带。这种空间电荷分离模式有效解决了传统p-n结中载流子复合难题，实测电荷分离效率达78.3%，较常规异质结提升42个百分点。

实验数据揭示该催化剂体系的多维度优势：在2.0g/L投加量下，150分钟内实现100%的C4H4S脱除，反应表观速率常数达0.0163min?1，较纯BaZrO3提升20倍。更值得关注的是其循环稳定性，经5次重复使用后，脱硫效率仍保持初始值的92.4%，这得益于材料体系固有的磁响应特性（饱和磁化强度达65.8 emu/g）和自修复机制。磁分离技术使催化剂回收效率可达98.7%，彻底解决了传统光催化剂难以回收的问题。

该研究的理论突破体现在S型异质结的构效关系：通过调控界面的电子势垒（实测接触势差为1.2V），实现了光生载流子的定向迁移。光谱表征显示，异质结体系在可见光区域（400-800nm）的吸收强度提升3.8倍，其中500-600nm波段吸收系数最大增幅达47%。这种光吸收特性的优化直接导致活性氧（ROS）生成量增加2.3倍，经FTIR证实脱硫产物以水溶性亚砜（C4H4(O)SO2H）为主，二次污染风险降低81%。

实际应用测试表明，该催化剂在柴油脱硫中表现出优异性能：当硫含量为2000ppm时，经60分钟光催化处理，硫含量降至15ppm以下，满足欧盟EN 590-2009标准。经济性分析显示，单次处理成本较传统HDS降低65%，催化剂寿命可达2000小时以上，投资回报周期缩短至18个月。

该研究为解决复杂环境问题提供了新思路。通过材料基因组设计理念，团队成功实现了从基础材料（BaZrO3/CrFe2O4）到复合体系的多尺度协同优化。这种"结构-性能-机制"三位一体的研究范式，为开发新一代绿色催化材料奠定了方法论基础。后续研究将聚焦于催化剂的规模化制备技术、不同硫化合物协同脱除机制，以及工业级连续流反应器的设计优化。