新型光催化剂在可见光下对 BPA 的降解效率达 98%

光催化剂可有效利用太阳能降解有机污染物，在水处理领域具有巨大的应用潜力，但光生载流子的超快复合严重限制了光催化剂的性能。

最近，一个科学家团队构建了一种新型光催化剂，具有优化的 gC 3 N 4 /Bi 4 O 5 Br 2 Z 型异质结构，可增强光生电荷分离并显著促进负责降解过程的活性物质的生成。

双酚A(BPA在可见光下的降解效率接近98%，并实现了罗丹明B(RhB的完全降解，性能超过了该领域的现有基准。 他们的研究成果于2024年9月24日发表在《工业化学与材料》(ICM杂志上。

光催化剂在解决环境问题方面具有巨大潜力。然而，其催化性能受到光生载流子分离效率低和可见光吸收能力有限的严重限制。为了克服这些挑战，Z型异质结光催化剂已被广泛用于通过促进光生电子的转移来提高污染物的降解性能。

Liu 及其同事证明，卤氧化铋和石墨烯的混合物能够通过 Z 型异质结、增强电子转移和减少电荷络合，实现可见光中污染物的有效降解。这些复合材料已用于针对 BPA 和 RhB 等污染物，实现了显著的降解效率。

BPA和RhB是两种常见的化学物质，广泛应用于塑料、树脂、染料等行业。尽管它们的应用范围十分广泛，但都对环境和人类健康构成了潜在的危害。水体中BPA的污染会导致其在水生生物体内积累，破坏生态平衡，并可能影响动植物的繁殖和生长过程，而RhB的污染可能导致水生生物中毒，引起突变、繁殖问题和生长抑制。因此，开发高效、低成本的光催化剂来降解这些污染物尤为重要。

研究人员成功构建了Z型异质结gC 3 N 4 /Bi 4 O 5 Br 2 光催化剂，用于光催化降解BPA和RhB。该复合材料的精确能带排列不仅扩大了其光响应范围，增强了氧化还原能力，而且提高了光生电荷的分离效率，显著促进了主要活性物种的产生。通过简单的水热合成和后热处理工艺制备了不同质量比的CN/BOB异质结构。

优化后的CN/BOB-16催化剂在可见光下对BPA和RhB表现出优异的光催化性能，BPA的降解效率接近98%，而RhB在80分钟内完全降解。这一结果比单独的gC 3 N 4或Bi 4 O 5 Br 2的性能高出约1.3倍，超过了最近文献中记录的性能。

原位X射线光电子能谱(in situ XPS和紫外光电子能谱(UPS实验为Z型异质结的能带排列提供了有力的证据，并揭示了光生电子的转移过程。光生电子在内建电场的作用下从Bi 4 O 5 Br 2迁移到gC 3 N 4，而空穴则留在Bi 4 O 5 Br 2中。Z型异质结构内的这种有效空间分离使光催化效率最大化。

研究人员通过自由基捕获实验和电子顺磁共振(EPR谱，确认了h +和O2-作为光催化反应中的主要活性自由基的作用。此外，研究人员通过第一性原理计算验证了实验结果，并指出Z型异质结构在生成活性物种、提高降解效率方面发挥了关键作用。

该研究不仅对CN/BOB异质结构的电子转移机理有了新的认识，而且通过多种光谱和电化学技术进一步证实了Z型异质结构在降低电子空穴复合、提高载流子寿命方面的优势。文章的结论强调了CN/BOB-16异质结构在环境修复应用方面的潜力，为新型光催化剂的开发提供了重要的理论基础和实验方法。

下一步，研究人员将设计更高效的Z型异质结光催化剂用于降解各类有机污染物，开展实际环境修复实验，建立相关理论模型，深入了解其电子转移机理，以期开发出低成本、高性能、性能稳定的光催化剂，为可持续环境管理提供创新理念和技术支持。