光催化剂显示出用于能源生产和环境解毒应用的潜力。这是一个耐人寻味的特性，因为在大宗工业生产过程中减少能源消耗会在效率和环境危害之间产生权衡。例如，数百年来，化石燃料一直在帮助人类进行扩张和创新。但是，化石燃料对环境造成的危害和不可避免的消耗，使得人们需要一种更安全、更丰富的资源，比如太阳能。

然而，高效的光催化剂往往非常昂贵，开发起来也十分困难和危险。许多催化剂含有铂金和黄金等贵金属，对环境也有负面影响。

约翰内斯堡大学的研究人员已经开发出一种光催化剂，可以利用太阳光中的可见光部分。这使这种光催化剂有别于二氧化钛等只能捕捉紫外线（UV）光谱的其他光催化剂。这一进展表明，新开发的光催化剂可用于多种工业应用，在这些应用中，太阳光或电光可促进化学过程。研究人员说，值得注意的是，这种光催化剂可用于大宗水处理。研究人员目前正在实验室测试光催化剂分解实际废水样本中有机污染物和药物残留物的能力。

约翰内斯堡研究小组的光催化剂几乎90%都是现成的成分--约89%是石墨碳，10%是钙矾石，它能捕捉并分解不需要的有机分子。这种光催化剂可以在资源有限的实验室中大规模生产。另外一种成分是碳化铌 MXene。这种纳米材料可用于光催化应用，如制氢和二氧化碳转化。
 

约翰内斯堡大学光催化剂研究团队： 左起：项目主管 Langelihle (Nsika) Dlamini、项目合作者 Edwin Mmutlane 和研究第一作者 L. Collen Makola。约翰内斯堡大学提供。

石墨氮化碳化合物 Calixarene 和 MXene 共同创造了这种环保型光催化剂。约翰内斯堡大学提供。

据该研究的第一作者 L. Collen Makola 称，在可见光照射下，MXene 可以防止氮化石墨碳中的光生电子与带正电荷的物质重新结合或 "抵消"。Makola 说，钙霞石和 MXene 都有助于将光吸收转移到太阳光谱的可见光区域。

这一因素使光触媒能够捕捉到大量的太阳光--约占视觉光谱的三分之一，还有紫外线光谱。这约占所有可用太阳能的 18%，而目前使用的光催化剂只能利用紫外线的 5%。研究人员的光催化剂覆盖了从 200 纳米到 700 纳米的所有波长，其中包括可见光波段的紫蓝-青绿部分。

马科拉说，光催化剂可以通过评估其将太阳能和/或光能转化为化学能的能力来衡量。这被称为光-化学转换效率，用 "mu "表示。

"我们的光催化剂（μ=4.86%）超过了2017年发表在期刊文章中的一种三组分光催化剂（μ=1.81%）。该光催化剂由银、硫化镉和氧化锌组成，"Makola 说。

这项研究成果发表在《科学杂志》上： 先进材料与器件

(www.doi.org/10.1016/j.jsamd.2023.100593).