渤海大學常春團隊J. Colloid Interface Sci: 一步水熱法合成BiOIO3/BBN異質結光催化高效降解雙酚A

【引言】

隨著社會經濟的快速發展，全球污染日益嚴重，尤其是水污染，已逐漸成為制約可持續發展的重要因素。雙酚A（BPA）是世界上應用最為廣泛的工業化合物之一。在為人類提供便利的同時，也帶來了不容忽視的隱患。BPA進入生物體或人體后，與體內受體細胞結合，會對生殖系統發育造成嚴重損害。半導體光催化技術因其高效、低成本、無二次污染被認為是一種很有前途的綠色技術。碘酸氧鉍（BiOIO₃）是一種具有特殊層狀結構的新型鉍基材料。堿式硝酸鉍（[Bi₆O₆(OH)₃](NO₃)₃·1.5H₂O, BBN）具有非中心對稱極性結構和非線性光學效應，可誘導自極化效應以實現光生載流子的有效分離，因此具有良好的光催化性能。本文通過一步水熱法制備了BiOIO₃/BBN異質結，異質結的形成提高了光催化降解BPA的效率。通過對異質結改性BiOIO₃的系列表征，對其結構、形貌、光吸收、光催化性能以及光穩定性進行了測試。同時研究了光降解過程中的活性物種和中間產物，提出了可能的光催化機理和降解反應路徑。

【 成果簡介】

近日，渤海大學常春課題組通過簡單的一步水熱法成功合成了具有n-n型異質結結構的光催化劑——BiOIO₃/[Bi₆O₆(OH)₃](NO₃)₃?1.5H₂O（BiOIO₃/BBN）。在紫外光照射下，異質結的形成提高了所制備的材料的光催化性能。BiOIO₃/BBN光催化降解BPA的反應速率常數分別是TiO₂ 、BiOIO₃和BBN的81.82倍、1.52倍和43.40倍。通過自由基捕獲實驗和電子自旋共振光譜，發現¹O₂，h⁺，e^-，?OH 和?O₂^-是BPA 光催化降解過程中的活性物種。同時，進一步研究了光催化機理并證實BiOIO₃/BBN異質結可以改善光生載流子的分離和轉移，從而大大提高催化效率。本文采用高效液相色譜-質譜聯用技術檢測BPA的降解產物，從而推導出降解反應路徑。相關成果以題為“Facile one-step strategy for the formation of BiOIO₃/[Bi₆O₆(OH)₃](NO₃)₃·1.5H₂O heterojunction to enhancing photocatalytic activity”發表在Journal of Colloid and Interface Science上。

【圖文導讀】

圖1 光催化降解（a）；光催化劑的動力學擬合和反應速率常數（b）；光電流響應（c）；阻抗譜（d）

圖2 捕獲劑實驗（a）及相應的反應速率常數（b）

圖3 BBN（a），BiOIO3-73（b）和BiOIO3-55（c）的價帶X射線光電子能譜；BBN（d），BiOIO3-73（e）和BiOIO3-55（f）的莫特-肖特基曲線

圖4 BPA光催化降解機理示意圖

圖5 BPA可能的降解路徑

【小結】

通過控制反應物的摩爾比，采用一步水熱法成功合成了n-n型BiOIO₃/BBN 異質結光催化劑。與純BiOIO₃、BBN和TiO₂相比，BiOIO₃-73（BiOIO₃/BBN）表現出最好的光催化活性，BPA的去除率高達95.76%。異質結構的形成可以促進電荷轉移和有效分離，有利于提高光催化活性。根據測試和表征結果，提出了光催化降解機理。該機理驗證了單線態氧是光催化降解過程中的主要反應物種。采用高效液相色譜-質譜聯用技術對BPA的降解產物進行分析，推導出降解反應路徑。同時，BiOIO₃/BBN催化劑也表現出良好的光催化穩定性。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。

【文章信息】

Facile one-step strategy for the formation of BiOIO₃/[Bi₆O₆(OH)₃](NO₃)₃·1.5H₂O heterojunction to enhancing photocatalytic activity, Journal of Colloid and Interface Science, 612 (2022) 401-412. (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.12.153)

鏈接：https://authors.elsevier.com/c/1eN6v4-sDThu4（2022年2月25日之前可通過此鏈接免費下載全文）

【作者簡介】

第一作者 闞莉：渤海大學化學與材料工程學院物理化學專業碩士研究生。研究方向為光催化材料在環境領域的應用。曾參加清華大學等單位主辦的第十五屆全國環境博士生學術會議并做海報展示。目前在Journal of Colloid and Interface Science, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers等期刊發表SCI收錄論文3篇。

通訊作者 常春：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40余篇，根據Google Scholar統計SCI論文總被引1390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275次，1篇論文入選F5000中國精品科技期刊頂尖論文。