大连理工＆澳洲科廷：首次报道生物光电系统高效可控合成MoS2材料

研究亮点

1.    构建基于光驱微生物燃料电池的耦合系统（PMFC），即生物-光-电三者协同耦合，原位可控地合成不同尺寸的MoS₂纳米材料。

2.   原位生长得到的生物改性的MoS₂/PDA/TiO₂电极，相比于非生物改性的同类催化材料，明显促进典型抗生素左氧氟杀星的高效去除。

图摘要

研究背景

二维（2D）二硫化钼（MoS₂）由于其优异的自发光特性、高的电子传递率、显著的光响应和较大的比表面积等特性，在太阳能电池或光电子器件中有着广阔的应用前景。然而，目前MoS₂合成的方法主要集中于水热合成、气相沉积法等，而这些合成方法受限于其高能耗以及环境不友好的阻碍，这也是MoS₂材料能否最终实用化所面临的挑战。因此，非常需要寻求一种低能耗，绿色的途径制备该材料。不同于物理，化学的合成方法，生物电子可以在常温常压状态下利用微生物燃料电池的产电菌分解环境污染物的同时产生大量的生物电子。在光驱动下，生物电子能与光生电子在阴极材料表面发生耦合，迫使阴极的还原能力大大提高，同时可在制备过程中精确调控材料的尺寸大小及缺陷分布，为纳米材料的合成提供保障。近几十年来，纳米材料的生物合成是一种新兴技术，归功于其独特的“更绿色”路线和更高的能效，生物合成方法优于传统的物理化学合成方法。

成果简介

针对目前MoS₂材料合成的方法，大连理工大学李新勇教授与澳洲科廷大学做出了重要的突破，共同在ACS新刊ACS Applied Energy Materials发表题为：“Insight into MoS₂ Synthesis with Bio-photoelectrochemical Engineering and Their Application in Levofloxacin Elimination”的文章。在该工作中，构建了基于光驱微生物燃料电池（MFC）的耦合系统，以可控制地原位合成不同尺寸的MoS₂纳米材料。文章指出该PMFC系统以产生的电力和光激发作为驱动力，MoS₄^2-可以高效地被还原为MoS₂纳米片。文章同时也指出，在可见光照射（> 420 nm）下，由聚多巴胺涂层TiO₂纳米管（PDA/TiO₂ NTs）电极产生的光激发电子也可以同时原位得到利用，从而有效促进MoS₂纳米层状材料的生长。随着MoS₂材料在PDA/TiO₂基底上的进一步生长，随后很容易获得生物修饰的MoS₂/PDA/TiO₂电极，其具有独特的亲水特性以及生物光电催化性能，并在形成光电催化耦合协同系统有效地促进抗生素的去除（(MoS₂/PDA/TiO₂-e^–_pho)/e^–_bio + (MoS₂/PDA/TiO₂-•HO₂) + H⁺  (MoS₂/PDA/TiO₂-•OH) + OH^–），并对双电子驱动的系统的机制进行详细的探讨。

图文速览

图1. （a）生物合成的MoS₂纳米片的TEM图像，（b）HETEM图像。

图2. 阴极室反应溶液的UV-Vis光谱在暗（a）和可见光照射（b）下不同时间的变化，插图：不同时间产物的照片; （c）在360 nm的激发波长下记录的可见光辅助的生物合成MoS₂纳米颗粒的光致发光光谱; （d）在100 K的条件下基于时间的样品低温EPR光谱。

图3. 不同时间生物辅助合成的MoS₂纳米片的SEM图像：（a）和（b）2h，（c）和（d）4h，（e）和（f）6h，（g）和（h） 8小时

图4. 复合材料的XPS光谱：分别为MoS₂/PDA/TiO₂ NTAs电极表面的（a-d）Ti_2p，O_1s，Mo_3d和S_2p区域; （e）Ti和（f）O分别来自TiO₂，PDA/TiO₂和MoS₂/PDA/TiO₂电极。

图5. （a）模拟太阳光照射不同条件下LEV的C_t/C₀变化，其中C₀（mg/L）和C_t（mg/L）分别代表初始LEV浓度和t时刻的LEV浓度，所有偏差均由MFC造成。（b）不同过程中LEV的ln（C₀/C_t）变化; （c）PMFC-PEC系统对LEV的C_t/C₀的变化以及使用MoS₂/PDA/TiO₂电极的LEV（d）的ln（C₀/C_t）的变化

图6. 降解LEV过程中该电极上可能存在的催化机理。

图7. 在PMFC-PEC系统中DMPO捕获的OH自由基加合物的EPR光谱：（a）在有或没有DMPO-OH的情况下6小时和（b）在可见光照射下MoS₂溶液在不同合成时间内捕获的DMPO-OH; （c）在经辐照的水溶液中形成的DMPO-OH和在辐照的甲醇分散体中形成的（d）DMPO-O₂，用于生物合成的MoS₂/PDA/TiO₂电极。

小结

言而总之，该工作首次报道了通过使用PMFC平台合成可控的MoS₂纳米材料以及MoS₂/PDA/TiO₂电极来用于光驱动生物电催化降解LEV的研究。在合成时间和可见光驱动优化的基础上，选择6 h和可见光辅助作为制备MoS₂纳米材料的重要参数。特别是，该工作构建的PMFC-PEC耦合系统能够有效地促进了PEC和PMFC系统中双电子/空穴对的分离，其还可以作为增强PEC性能的有效策略。此外，优化的生物合成途径，增强的ROS基团产生量，双电子（e-bio/e-pho）途径的有效协同以及改善的亲水能力可以有效促进LEV的催化降解，其去除速率达到5.2×10^-2 min^-1。因此，我们相信该构建的光驱动MFC系统可以提供环境友好的途径去合成纳米结构电极材料，并为原位去除多种污染物以及储能领域创造新的机会。

文献信息

Insight into MoS₂ Synthesis with Bio-photoelectrochemical Engineering and Their Application in Levofloxacin Elimination. ACS Appl. Energy Mater., Just Accepted Manuscript . DOI: 10.1021/acsaem.8b00524

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.8b00524

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 岚

主编 | 张哲旭

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