同步实现水中镉高效去除和一步-原位转换为异质结高性能光催化剂并用于光解水产氢

重金属既是污染物，又是耗竭性资源。实现废水中重金属高效去除和原位增值利用仍旧是一项挑战。研究采用环境友好的可再生资源微藻为“微反应器”和“载体”，通过构建具有复合组分纳米内核 （Fe₃O₄和ZnS）的藻源性铃铛结构微球，同步实现了水中镉高效去除和一步-原位转换为异质结高性能光催化剂并用于光解水产氢。Fe₃O₄纳米内核使微球具备了便捷的磁分离的性能1 min；ZnS纳米内核则赋予了微球高效富集并去除污水中镉的能力（256 mg/g）。与此同时，在除镉过程中通过离子交换的形式，ZnS纳米内核表面会直接形成厚度约4 nm的锌镉硫固溶体外壳，原位形成了具有硫化锌内核和锌镉硫固溶体外壳的异质结纳米球。研究发现，该异质结纳米球在太阳光催化分解水产氢和有机污染物降解性能方面显著优于商品化的P25-TiO₂和CdS。机理研究显示，ZnS表面形成的锌镉硫固溶体可明显提升其对太阳光的利用效率；更为重要的是，形成的异质结可以有效的分离光生空穴和电子，从而抑制其复合，延长了载流子寿命，这正是导致异质结纳米球光催化性能显著优于单一组分光催化剂P25-TiO₂、ZnS和CdS的主要原因。该策略不仅可以实现水质净化（重金属和有机污染物的去除）和重金属污染物的资源化增值利用，而且原位形成的高性能光催化剂也可实现清洁能源（H₂）的产生，为水中重金属高效去除和增值利用提供了新的研究思路。