渤海大學常春J. Colloid Interface Sci.: 鉍誘導相轉變原位合成t/o-Bi2WO6同質結光催化劑及其性能研究

一、引言

社會經濟發展和工業化導致環境和能源問題日益惡化。光催化技術由于其在去除污染物等方面具有簡單、高效的特點而受到廣泛關注。近年來，鉍基半導體光催化劑因其優越的電子結構、對可見光的強烈響應、優異的光氧化穩定性以及對難降解有機污染物的高效降解而引起人們很大研究興趣。本文通過新穎的原位鉍誘導相轉變制備了具有高光催化效率的四方相/正交相-鎢酸鉍 (tetragonal/orthorhombic-Bi₂WO₆, t/o-Bi₂WO₆) 同質結。通過形成同質結提高了t-Bi₂WO₆的光催化效率。利用密度泛函理論（DFT），對鉍誘導t-Bi₂WO₆ 到o-Bi₂WO₆相轉變發生的可行性進行了推算。研究成果為高效光催化劑的原位制備提供了新的設計途徑。

二、 成果簡介

近日，渤海大學常春博士聯合臺灣清華大學呂世源教授（共同通訊作者）采用溶劑熱法制備了Bi/t-Bi₂WO₆復合材料，經煅燒使鉍誘導t-Bi₂WO₆部分相轉變為o-Bi₂WO₆。在模擬太陽光照射下，光催化性能的增強。同質結增強了電荷分離并減少了光生載流子的復合，從而大大提高了光催化活性。通過DFT計算，證明鉍誘導t-Bi₂WO₆到o-Bi₂WO₆的相轉變過程可行。與普通的t-Bi₂WO₆ 催化劑相比，t/o-Bi₂WO₆同質結催化劑的反應速率常數提高了6.22倍。結合活性物種捕獲劑實驗與電子自旋共振譜，研究結果表明單線態氧（¹O₂）、空穴（h⁺）、電子（e^-）以及超氧自由基（·O₂^-）是污染物降解的主要活性物質。此外，t/o- Bi₂WO₆ 同質結催化劑在五次循環中表現出優異的穩定性。相關成果以題為“Tetragonal/orthorhombic-bismuth tungstate homojunction formed through in situ bismuth induced phase transformation as highly efficient photocatalyst for pollutant degradation”發表在Journal of Colloid and Interface Science上。

三、圖文導讀

1、材料表征

圖1 樣品的X射線衍射圖譜（a）； 傅里葉紅外光譜（b）；拉曼光譜（c）。

圖2 樣品的高分辨透射電鏡（a）；選區電子衍射圖譜（b）；熱重及差熱分析（c）；紫外可見漫反射譜（d）

圖3 X射線光電子能譜，Bi 4f（a）；I 3d（b）；O1s（c）

2、DFT計算

圖4 t-Bi₂WO₆模型優化示意圖

圖5 吉布斯自由能與溫度的關系曲線

3、光催化降解性能研究

圖6 暗反應下的吸附（a）；光反應下的降解（b）；降解動力學擬合（c）；反應速率常數（d）

4、降解機理

圖7 光電流（a）；阻抗譜（b）；捕獲劑實驗（c）；捕獲劑實驗的反應動力學常數（d）；DMPO-·O₂^?（e）和DMPO-·OH（f）

圖8 莫特肖特基曲線BWO18012（a）；BWO18024-550（b）；光學帶隙（c）； BWO18012和BWO18024-550的價帶X射線光電子能譜（d）

圖9 t-Bi₂WO₆/o-Bi₂WO₆同質結的制備及光催化反應機理示意圖

四、小結

在本文中，開發了一種簡單、低成本、綠色制備t/o-Bi₂WO₆同質結光催化劑的方法，提高了Bi₂WO₆的光催化效率。在模擬太陽光照射下，研究了光催化降解難降解有機污染物羅丹明B（RhB）的性能。通過原位鉍誘導t-Bi₂WO₆到o-Bi₂WO₆的相轉變，實現了t/o-Bi₂WO₆同質結的成功制備。同質結的形成增強了光生電荷分離并減少了電子-空穴的復合，從而大大提高了光催化活性。該工作為通過原位形成同質結或異質結光催化劑來開發用于環境與能源領域的高效光催化劑指明了新的方向。該工作得到了興遼英才計劃，遼寧省科技廳，遼寧省教育廳，國家重點實驗室開放基金，渤海大學海洋研究院開放基金等項目的共同資助。

文獻：Tetragonal/orthorhombic-bismuth tungstate homojunction formed through in situ bismuth induced phase transformation as highly efficient photocatalyst for pollutant degradation, Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 607: 269-280. (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.167)

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五、通訊作者簡介

常春博士，興遼英才計劃青年拔尖人才入選者；畢業于南開大學環境科學與工程學院，師從祝凌燕教授；臺灣清華大學博士后，合作導師為呂世源教授；現為渤海大學化學與材料工程學院副教授，碩士生導師，渤海大學海洋研究院海岸帶研究所所長，錦州市近海岸環境保護與污染防治專業技術創新中心負責人。中國感光學會光催化委員會委員，遼寧省環境科學學會常務理事兼生態教育分會副會長、國際技術轉移專業委員會委員、海洋環境應急專業委員會委員，遼寧省化工學會太陽能光催化委員會委員。主持或參與國家、省部級項目10余項，獲得天津市自然科學一等獎1項，教育部自然科學一等獎1項，已發表論文30余篇，根據Google Scholar統計SCI論文總被引1320余次，3篇為ESI高被引論文，2篇引用次數超過260次，單篇最高被引269次，1篇論文入選F5000中國精品科技期刊頂尖論文。

呂世源（Shih-Yuan Lu）教授，英國皇家化學會會士，國際先進材料協會會士，清華講座教授，博士生導師，博士畢業于美國威斯康辛大學麥迪遜分校，歷任臺灣清華大學化工系系主任，工學院副院長等職務。呂世源教授于2005年獲臺灣化工學會賴再得教授獎；2006和2016年獲得臺灣杰出研究獎；曾擔任Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers（中科院二區）雜志主編。呂世源教授在納米材料與結構之制成及其在能源與環境領域之應用上獨有專長，已經在Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Applied Catalysis B: Environmental, Advanced Functional Materials, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Chemistry of Materials, Small等國際知名期刊上發表SCI論文一百八十余篇，他引逾四千三百余次，個人H-index為36。

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