可见光驱动下 MoS2/g-C3N4纳米复合结构快速灭活细菌的新突破

为解决水污染中微生物危害问题，研究人员开展 MoS2/g-C3N4光催化杀菌研究，发现其能高效灭活细菌，拓展了光催化技术应用。

　　在全球水污染日益严重的当下，水中的致病微生物（如真菌、细菌、病毒等）如同隐藏在暗处的 “健康杀手”，悄无声息地引发各类水传播传染病，严重威胁着人们的生命健康。传统的水污染处理方法，像是紫外线照射、化学消毒（如氯气（Cl₂）、臭氧（O₃）和氯胺（H₂NCl））以及膜过滤等，都存在着能耗高、生产成本高、制备时间长和二次污染等问题，这些缺点就像一道道 “枷锁”，限制了它们大规模应用，难以有效应对日益严峻的水污染挑战。因此，寻找一种低成本、高效且环保的新型水净化方法迫在眉睫。

在这样的背景下，青岛大学的研究人员积极开展探索，致力于解决水污染中微生物带来的危害这一难题。他们将研究聚焦于光催化技术，通过设计一种二维 / 二维（2D/2D）的 MoS₂/g-C₃N₄异质结光催化剂，深入探究其在光催化水消毒领域的应用潜力。最终，研究取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Scientific Reports》上。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。在材料合成方面，采用简单的水热法分别制备了 MoS₂、g-C₃N₄以及 MoS₂/g-C₃N₄异质结复合材料。在材料表征环节，运用 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、比表面积分析（BET）、X 射线光电子能谱（XPS）等技术，对材料的晶体结构、形貌、比表面积、元素组成及电子结构等进行了全面深入的分析。此外，通过光催化细菌灭活实验，以革兰氏阴性大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S. aureus）为研究对象，评估了材料的光催化抗菌活性。

研究结果主要体现在以下几个方面：

• 材料表征结果：XRD 和拉曼光谱分析表明，成功合成了 MoS₂/g-C₃N₄异质结材料，且各组分结构稳定。SEM 和 TEM 图像显示，MoS₂呈微球形，g-C₃N₄为层状堆叠结构，二者复合后，g-C₃N₄的层状结构附着在 MoS₂表面，形成了异质结构。BET 分析显示，复合材料结合了 MoS₂的大比表面积和 g-C₃N₄的大孔径特点，为催化反应提供了丰富的活性位点。XPS 结果进一步证实了两种材料的有效结合，且表明二者相互作用时电子结构发生了显著变化。
• 光催化抗菌性能：通过预实验发现，MoS₂/g-C₃N₄（3:2）在黑暗条件下 30 分钟的毒性低于 MoS₂/g-C₃N₄（3:1），因此后续实验选用 MoS₂/g-C₃N₄（3:2）。实验结果显示，在黑暗或无催化剂光照条件下，几乎没有细菌灭活现象；而单独的 g-C₃N₄在白色 LED 光照下杀菌效率极低。相比之下，添加具有更宽可见光吸收范围的 MoS₂/g-C₃N₄或 MoS₂后，光催化抗菌活性显著增强，尤其是 MoS₂/g-C₃N₄异质结构。在 LED 光照 30 分钟后，MoS₂/g-C₃N₄组几乎观察不到可见菌落，且对大肠杆菌的抗菌率略高于金黄色葡萄球菌。循环实验表明，MoS₂/g-C₃N₄在多次抗菌循环中表现出高稳定性和强抗菌能力。通过添加不同的活性物种清除剂实验发现，光生电子（e^-）、空穴（h⁺）、超氧自由基（?O₂^-）和过氧化氢（H₂O₂）在光催化抗菌过程中起着关键作用，尤其是 H₂O₂。荧光染色实验也证实了该异质结构具有光催化杀菌效果。此外，溶血实验表明，MoS₂/g-C₃N₄具有良好的生物相容性，溶血率均低于 3%，证明了其生物安全性。
• 光催化活性增强机制：通过对 MoS₂和 g-C₃N₄的功函数（WFs）、费米能级、Mott-Schottky 曲线等分析可知，MoS₂的功函数较低，在光催化过程中作为电子转移通道，促进了电荷转移。在白色 LED 光照下，MoS₂产生光生电子 - 空穴对，电子从 MoS₂迁移到 g-C₃N₄，空穴从 g-C₃N₄转移到 MoS₂，有效抑制了载流子复合，显著增强了光催化活性。在光催化抗菌过程中，电子与 O₂和 H₂O 反应生成的?O₂^-和 H₂O₂在杀菌过程中发挥了重要作用。

研究结论和讨论部分指出，通过简单水热法合成的 MoS₂/g-C₃N₄异质结构展现出增强的光催化性能，在白色 LED 灯照射下，能在 20 分钟内有效灭活大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。这种光催化活性的显著提升，得益于纳米异质结构减少了光生电子 - 空穴对的复合，增强了载流子传输，进而促进了活性氧物种（如?O₂^-和 H₂O₂）的产生。该研究成果为 LED 光催化水净化领域引入了一种新型光催化剂，拓展了光催化抗菌技术的应用范围，为解决水污染中的微生物污染问题提供了新的思路和方法，有望在实际水净化工程中发挥重要作用，对保障人们的用水安全和健康具有重要意义。