铋（Bi）和铁（Fe）共掺杂对微孔磷酸铝光催化剂表面功能化的协同效应，用于增强可见光下氢气（H?）的生成

《Applied Surface Science》：The synergistic effect of Bi and Fe co-doping on surface functionalization of microporous aluminophosphate photocatalysts for enhanced visible light H 2 generation

本研究通过水热法合成不同Bi含量的BiFAPSO-5光催化剂，表征其结构及光催化性能，发现5% Bi时产氢最佳，并揭示其间接Z型电荷分离机制。

　　在当前全球对可再生能源和清洁能源的迫切需求下，研究高效、稳定且经济的光催化剂成为能源科学领域的重要课题。光催化水分解技术因其能够利用太阳能或可见光进行氢气的生产，被认为是绿色和可持续能源解决方案中的前沿方向。氢气作为一种高能量密度的燃料，且燃烧时不产生二氧化碳，使其成为未来能源系统中极具潜力的替代品。然而，如何开发出具有优良光电性能和高催化效率的光催化剂，仍然是一个亟待解决的问题。

本研究聚焦于一种新型的微孔铝磷硅酸盐光催化剂的合成与表征，这种催化剂通过在AlPO?-5框架中引入硅、铁以及不同浓度的铋（1%、3%和5%），实现了离子等价取代。研究采用水热法进行合成，并通过多种先进的表征技术，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、氮气吸附-脱附测量、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（DRUV）、穆斯堡尔谱、固体核磁共振（MAS-NMR）以及光电化学测试，全面分析了所获得光催化剂的结构、表面特性和光电性能。这些研究手段不仅帮助确认了材料的晶体结构，还揭示了其在可见光条件下的催化行为。

所有样品均表现出铝磷硅酸盐五型（AFI-type）的晶体结构，但随着铋含量的增加，一种次要的单斜相BiPO?开始出现。当铋含量达到3 mol%或更高时，BiPO?相变得明显，这表明铋的引入在一定程度上改变了材料的晶体结构。这种变化对光催化性能具有重要意义，因为不同的晶体相可能对光吸收、电荷传输以及表面反应活性产生不同的影响。

从表征结果来看，这些材料展现出良好的半导体特性、光学性能和氧化还原能力，这为其在光催化水分解中的应用提供了理论依据。特别是，在可见光照射下，使用亚硫酸钠（Na?SO?）作为空穴捕获剂时，含5%铋的BiFAPSO-5催化剂表现出最佳的氢气生成性能。这一发现表明，通过合理设计材料的组成和结构，可以显著提升光催化反应的效率。

研究进一步提出了一种间接Z-方案机制，该机制通过界面缺陷和浅能级的引入，促进了电荷的有效分离，从而提高了光催化反应的效率。这种机制的提出不仅有助于理解BiFAPSO-5催化剂的工作原理，也为未来设计新型光催化剂提供了新的思路。通过离子等价取代，硅、铁和铋在AlPO?-5框架中的协同作用可能对材料的能带结构、表面化学和氧化还原功能产生综合影响，从而实现更高效的氢气生成。

铝磷硅酸盐（AlPOs）因其独特的结构特性而受到广泛关注。这些材料具有高度有序的孔道结构，良好的热稳定性和化学稳定性，以及通过离子等价取代实现框架功能化的潜力。在过去的几年中，AFI结构的铝磷硅酸盐因其在催化、吸附和气体储存等领域的广泛应用而备受关注。特别是，AFI结构的铝磷硅酸盐可以通过引入过渡金属离子，显著改变其光电性能，使其在可见光条件下具有催化活性。

然而，尽管通过过渡金属离子掺杂可以赋予铝磷硅酸盐一定的光催化能力，但如何通过多种金属离子的协同作用进一步提升其性能仍然是一个挑战。在这一背景下，本研究通过将铁和铋共同掺杂于AlPO?-5框架中，探索了其对光催化性能的影响。研究发现，铁和铋的协同作用不仅能够调控材料的能带结构，还能改善其表面化学和氧化还原功能，从而提升其在可见光条件下的催化活性。

此外，铁和铋的共同掺杂还可能在分子层面引入局部能级和双重活性位点，这有助于促进电荷分离并抑制电荷复合，从而提高光催化反应的效率。这种协同效应在其他光催化系统中也有所体现，表明通过合理设计多金属掺杂策略，可以有效提升材料的性能。因此，本研究不仅为开发新型光催化剂提供了实验依据，也为未来研究多金属协同作用在光催化中的应用奠定了基础。

在实际应用中，光催化剂的性能不仅取决于其组成和结构，还受到多种因素的影响，包括晶体尺寸、比表面积、孔结构、晶相等。因此，为了实现高效的氢气生成，必须对这些因素进行综合考虑。本研究通过系统性的实验设计，不仅验证了不同铋含量对光催化性能的影响，还探讨了铁和铋共同掺杂在AlPO?-5框架中的作用机制。研究结果表明，适当的铋含量和铁的引入能够显著提升光催化剂的性能，使其在可见光条件下具有较高的氢气生成效率。

在实验过程中，研究团队采用了水热法进行光催化剂的合成。该方法能够有效控制材料的形貌和结构，从而获得具有高催化活性的微孔材料。通过连续磁力搅拌，研究团队制备了反应凝胶，并依次加入铋水、正磷酸（85%）以及铝异丙氧化物（98%）作为铝源，随后加入二氧化硅凝胶。这种合成方法不仅保证了材料的均匀性，还能够调控其孔结构和表面特性，使其更适合光催化反应。

在表征方面，研究团队利用XRD分析了材料的晶体结构。结果显示，所有样品均表现出AFI型的晶体结构，但随着铋含量的增加，单斜相BiPO?逐渐显现。这表明，铋的引入在一定程度上改变了材料的晶体结构，从而影响其光电性能。此外，XRD图谱的窄峰宽和低背景强度表明，这些材料具有较高的结晶度，且未检测到非晶相的存在，这为后续的光催化性能研究提供了结构基础。

通过扫描电子显微镜（SEM）分析，研究团队进一步确认了材料的微观形貌。SEM图像显示，这些材料具有规则的孔道结构和良好的分散性，这有利于光催化反应的进行。此外，氮气吸附-脱附测量结果表明，这些材料具有较高的比表面积和孔体积，这为其在光催化反应中的应用提供了必要的物理条件。高比表面积意味着更多的活性位点，而良好的孔结构则有助于反应物和产物的扩散，从而提升催化效率。

X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了材料的表面化学组成。XPS结果表明，硅、铁和铋在AlPO?-5框架中的分布较为均匀，且在表面形成了稳定的化学键。这种表面化学稳定性对于光催化反应至关重要，因为它能够减少表面缺陷对催化性能的负面影响。此外，XPS还能够检测材料的表面氧化状态，从而进一步分析其氧化还原能力。

紫外-可见漫反射光谱（DRUV）分析则用于研究材料的光学性能。DRUV结果表明，这些材料在可见光范围内具有良好的光吸收能力，且其光吸收范围随着铋含量的增加而有所扩展。这表明，适当的铋掺杂能够有效拓宽材料的光响应范围，使其能够更高效地利用可见光进行催化反应。此外，DRUV还能够检测材料的能带结构，从而进一步分析其光电性能。

穆斯堡尔谱（M?ssbauer spectroscopy）和固体核磁共振（MAS-NMR）分析则用于研究材料的局部结构和化学环境。穆斯堡尔谱结果表明，铋在AlPO?-5框架中的存在形式较为稳定，且其局部环境对材料的催化性能具有重要影响。MAS-NMR分析进一步揭示了硅、铁和铋在AlPO?-5框架中的分布情况，以及它们之间的相互作用。这些分析结果表明，适当的离子等价取代能够有效调控材料的局部结构和化学环境，从而提升其催化性能。

光电化学测试则用于评估材料在可见光条件下的催化活性。测试结果表明，含5%铋的BiFAPSO-5催化剂在可见光照射下表现出最佳的氢气生成性能。这一发现表明，适当的铋含量和铁的引入能够显著提升光催化剂的性能，使其在可见光条件下具有较高的催化效率。此外，光电化学测试还能够检测材料的电荷传输特性，从而进一步分析其光电性能。

综上所述，本研究通过系统性的实验设计和先进的表征技术，揭示了BiFAPSO-5催化剂在可见光条件下的优异性能。研究结果表明，适当的铋含量和铁的引入能够有效调控材料的能带结构、表面化学和氧化还原功能，从而提升其在可见光条件下的催化活性。此外，研究还提出了一种间接Z-方案机制，该机制通过界面缺陷和浅能级的引入，促进了电荷的有效分离，从而提高了光催化反应的效率。

在实际应用中，这种新型光催化剂不仅能够用于氢气的生产，还可能在其他光催化反应中发挥重要作用，如有机污染物的降解、光催化氧气的生成以及电化学CO?的还原。因此，本研究不仅为开发新型光催化剂提供了实验依据，也为未来研究多金属协同作用在光催化中的应用奠定了基础。此外，研究结果还表明，通过合理设计材料的组成和结构，可以显著提升光催化反应的效率，使其更适合实际应用。

研究团队在实验过程中采用了多种先进的表征技术，以确保对材料的全面分析。这些技术包括XRD、SEM、氮气吸附-脱附测量、XPS、DRUV、M?ssbauer谱、MAS-NMR以及光电化学测试。这些分析手段不仅帮助确认了材料的晶体结构和表面特性，还揭示了其在可见光条件下的催化行为。通过这些研究，团队能够更深入地理解BiFAPSO-5催化剂的工作机制，从而为未来研究提供理论支持。

此外，研究团队还对不同铋含量的样品进行了系统性的比较。结果显示，随着铋含量的增加，材料的催化性能逐渐提升，但超过一定浓度后，催化性能可能趋于饱和或出现下降。这一发现表明，适当的铋含量是提升光催化性能的关键因素。同时，研究还发现，铁的引入对材料的催化性能具有显著的促进作用，这表明铁和铋的协同作用在光催化中具有重要作用。

研究还强调了光催化剂在可见光条件下的重要性。由于太阳能和可见光资源丰富，开发能够有效利用这些资源的光催化剂具有重要的现实意义。通过合理设计材料的组成和结构，可以显著提升其在可见光条件下的催化效率，使其更适合实际应用。此外，研究还发现，适当的空穴捕获剂能够有效提升光催化剂的性能，这表明在实际应用中，需要合理选择反应条件和辅助试剂。

综上所述，本研究通过系统性的实验设计和先进的表征技术，揭示了BiFAPSO-5催化剂在可见光条件下的优异性能。研究结果表明，适当的铋含量和铁的引入能够有效调控材料的能带结构、表面化学和氧化还原功能，从而提升其在可见光条件下的催化活性。此外，研究还提出了一种间接Z-方案机制，该机制通过界面缺陷和浅能级的引入，促进了电荷的有效分离，从而提高了光催化反应的效率。

这些研究结果不仅为开发新型光催化剂提供了实验依据，也为未来研究多金属协同作用在光催化中的应用奠定了基础。此外，研究还表明，通过合理设计材料的组成和结构，可以显著提升光催化反应的效率，使其更适合实际应用。因此，本研究具有重要的理论和应用价值，为未来光催化技术的发展提供了新的思路和方向。