渤海大学常春团队J. Colloid Interface Sci: 一步水热法合成BiOIO3/BBN异质结光催化高效降解双酚A

【引言】

随着社会经济的快速发展，全球污染日益严重，尤其是水污染，已逐渐成为制约可持续发展的重要因素。双酚A（BPA）是世界上应用最为广泛的工业化合物之一。在为人类提供便利的同时，也带来了不容忽视的隐患。BPA进入生物体或人体后，与体内受体细胞结合，会对生殖系统发育造成严重损害。半导体光催化技术因其高效、低成本、无二次污染被认为是一种很有前途的绿色技术。碘酸氧铋（BiOIO₃）是一种具有特殊层状结构的新型铋基材料。碱式硝酸铋（[Bi₆O₆(OH)₃](NO₃)₃·1.5H₂O, BBN）具有非中心对称极性结构和非线性光学效应，可诱导自极化效应以实现光生载流子的有效分离，因此具有良好的光催化性能。本文通过一步水热法制备了BiOIO₃/BBN异质结，异质结的形成提高了光催化降解BPA的效率。通过对异质结改性BiOIO₃的系列表征，对其结构、形貌、光吸收、光催化性能以及光稳定性进行了测试。同时研究了光降解过程中的活性物种和中间产物，提出了可能的光催化机理和降解反应路径。

【 成果简介】

近日，渤海大学常春课题组通过简单的一步水热法成功合成了具有n-n型异质结结构的光催化剂——BiOIO₃/[Bi₆O₆(OH)₃](NO₃)₃∙1.5H₂O（BiOIO₃/BBN）。在紫外光照射下，异质结的形成提高了所制备的材料的光催化性能。BiOIO₃/BBN光催化降解BPA的反应速率常数分别是TiO₂ 、BiOIO₃和BBN的81.82倍、1.52倍和43.40倍。通过自由基捕获实验和电子自旋共振光谱，发现¹O₂，h⁺，e^-，•OH 和•O₂^-是BPA 光催化降解过程中的活性物种。同时，进一步研究了光催化机理并证实BiOIO₃/BBN异质结可以改善光生载流子的分离和转移，从而大大提高催化效率。本文采用高效液相色谱-质谱联用技术检测BPA的降解产物，从而推导出降解反应路径。相关成果以题为“Facile one-step strategy for the formation of BiOIO₃/[Bi₆O₆(OH)₃](NO₃)₃·1.5H₂O heterojunction to enhancing photocatalytic activity”发表在Journal of Colloid and Interface Science上。

【图文导读】

图1 光催化降解（a）；光催化剂的动力学拟合和反应速率常数（b）；光电流响应（c）；阻抗谱（d）

图2 捕获剂实验（a）及相应的反应速率常数（b）

图3 BBN（a），BiOIO3-73（b）和BiOIO3-55（c）的价带X射线光电子能谱；BBN（d），BiOIO3-73（e）和BiOIO3-55（f）的莫特-肖特基曲线

图4 BPA光催化降解机理示意图

图5 BPA可能的降解路径

【小结】

通过控制反应物的摩尔比，采用一步水热法成功合成了n-n型BiOIO₃/BBN 异质结光催化剂。与纯BiOIO₃、BBN和TiO₂相比，BiOIO₃-73（BiOIO₃/BBN）表现出最好的光催化活性，BPA的去除率高达95.76%。异质结构的形成可以促进电荷转移和有效分离，有利于提高光催化活性。根据测试和表征结果，提出了光催化降解机理。该机理验证了单线态氧是光催化降解过程中的主要反应物种。采用高效液相色谱-质谱联用技术对BPA的降解产物进行分析，推导出降解反应路径。同时，BiOIO₃/BBN催化剂也表现出良好的光催化稳定性。该工作得到了兴辽英才计划，辽宁省科技厅，辽宁省教育厅，国家重点实验室开放基金，渤海大学海洋研究院开放基金等项目的共同资助。

【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)

链接：https://authors.elsevier.com/c/1eN6v4-sDThu4（2022年2月25日之前可通过此链接免费下载全文）

【作者简介】

第一作者 阚莉：渤海大学化学与材料工程学院物理化学专业硕士研究生。研究方向为光催化材料在环境领域的应用。曾参加清华大学等单位主办的第十五届全国环境博士生学术会议并做海报展示。目前在Journal of Colloid and Interface Science, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers等期刊发表SCI收录论文3篇。

通讯作者 常春：兴辽英才计划青年拔尖人才入选者；毕业于南开大学环境科学与工程学院，师从祝凌燕教授；台湾清华大学博士后，合作导师为吕世源教授；现为渤海大学化学与材料工程学院副教授，硕士生导师，渤海大学海洋研究院海岸带研究所所长，锦州市近海岸环境保护与污染防治专业技术创新中心负责人。中国感光学会光催化委员会委员，辽宁省环境科学学会常务理事兼生态教育分会副会长、国际技术转移专业委员会委员、海洋环境应急专业委员会委员，辽宁省化工学会太阳能光催化委员会委员。主持或参与国家、省部级项目10余项，获得天津市自然科学一等奖1项，教育部自然科学一等奖1项，已发表论文40余篇，根据Google Scholar统计SCI论文总被引1390余次，3篇为ESI高被引论文，2篇引用次数超过260次，单篇最高被引275次，1篇论文入选F5000中国精品科技期刊顶尖论文。