g-C?N?/FeOOH/Cu?O三元异质结的简便制备及其可见光光催化性能的提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Facile Construction of g-C 3N 4/FeOOH/Cu 2O ternary heterojunction with enhanced visible light photocatalytic performance

新型可见光响应g-C3N4/FeOOH/Cu2O三元异质结光催化剂通过简易方法制备，XRD、SEM、TEM、XPS等表征证实了异质结构的成功构建。该催化剂在90分钟内实现93%甲基橙降解效率，较二元复合物及单一材料显著提升，并保持五次循环后88.5%的稳定性。电荷迁移机制与Z型及II型p-n结协同作用抑制电荷复合，拓宽光吸收范围。

　　在当今社会，随着工业的迅速发展，能源供应与环境保护成为了实现可持续发展的关键议题。为了解决这些问题，人们逐渐将目光投向了绿色技术，而光催化技术因其简便的降解过程和无二次污染的优势，被广泛认为是具有潜力的解决方案之一。光催化技术利用光能激发半导体材料，使其产生电子-空穴对，进而参与氧化还原反应，从而分解污染物或实现能量转换。然而，单个半导体材料在实际应用中往往面临光吸收效率低、电荷复合速率快等限制，这在很大程度上制约了其性能表现。因此，构建异质结光催化剂成为提升光催化效率的重要研究方向。

近年来，研究者们通过多种方法对异质结结构进行了深入探索。其中，二元异质结材料已经在多个领域展现出良好的应用前景，如环境修复和能源转换。然而，随着研究的深入，三元异质结因其在光吸收、电荷分离和氧化还原能力方面的综合优势，逐渐受到关注。三元异质结可以通过多种半导体材料的协同作用，形成更复杂的电子结构，从而提高光催化效率。例如，Zhang等人通过一步法和绿色化学沉淀技术制备了Cu?O/RGO复合材料，实验结果表明，Cu?O单体在200分钟内仅能降解35%的甲基橙染料，而复合材料则可达到55%的降解率。Xiong等人通过简便的煅烧和水热法合成了Cu?O–TiO?–g-C?N?复合光催化剂，其表现出优异的光催化性能。可见，三元异质结在光催化领域具有重要的研究价值和应用潜力。

在本研究中，我们提出了一种新型的三元异质结光催化剂，由g-C?N?、铁氧氢（FeOOH）和氧化亚铜（Cu?O）组成。这种异质结结构的设计旨在协同提升可见光响应能力、电荷分离效率以及光催化活性。g-C?N?作为一种具有独特二维结构的半导体材料，因其简单的制备方法、较低的成本以及合适的带隙而备受关注。FeOOH则因其高自然丰度、良好的化学稳定性和环境友好性而成为理想的助催化剂。此外，FeOOH独特的电子结构和表面特性使其在促进电荷迁移方面具有显著优势。而Cu?O作为一种p型半导体，具有较窄的带隙，能够有效扩展光吸收范围，并为氧化还原反应提供额外的活性位点。通过将这三种材料整合为三元异质结，我们期望构建出一个具有高效光催化性能的系统。

为了实现这一目标，我们采用了一系列制备工艺。g-C?N?通过热聚缩合法制备，使用尿素作为前驱体，遵循文献中报道的方法。FeOOH则通过氧化含有Fe2?的溶液合成，具体步骤已在我们之前的研究中有所描述。随后，将制备好的g-C?N?与FeOOH和Cu?O进行复合，构建出三元异质结结构。通过调节FeOOH的添加量，我们进一步优化了该复合体系的性能。实验结果表明，与我们之前研究的二元FeOOH/Cu?O异质结微球相比，三元异质结在可见光驱动下的甲基橙降解效率显著提高。这说明，FeOOH的引入对光催化性能的提升起到了重要作用。

在结构和形貌分析方面，我们利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段对三元异质结材料进行了系统表征。XRD图谱显示，所制备的g-C?N?材料在13.0°和27.3°处出现了两个特征峰，与标准PDF卡片（JCPDS No. 87-1526）一致，分别对应于（100）和（002）晶面。这些结果进一步验证了g-C?N?的成功合成。此外，SEM和TEM图像揭示了FeOOH和Cu?O在g-C?N?基体上的分布情况，显示了三元异质结的微观结构特征。XPS分析则表明，FeOOH在复合体系中起到了桥梁作用，有助于电荷的高效转移。FTIR光谱进一步支持了三元异质结中各组分之间的相互作用。

为了进一步评估三元异质结材料的光催化性能，我们进行了紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析和光催化降解实验。UV-Vis DRS结果表明，三元异质结材料在可见光区域具有更宽的光响应范围，这与其结构中各组分的协同作用密切相关。光催化降解实验显示，三元异质结在可见光照射下对甲基橙的降解效率高达93%，在90分钟内即可完成大部分降解。相比之下，纯g-C?N?、FeOOH、Cu?O以及二元g-C?N?/Cu?O复合材料的降解效率明显较低。这表明，三元异质结在可见光响应和光催化活性方面具有显著优势。

此外，为了评估材料的稳定性与可重复使用性，我们进行了多次循环实验。实验结果表明，三元异质结在五次连续循环后仍能保持超过88.5%的降解效率，且其结构变化极小。这一结果表明，该材料不仅具有优异的光催化性能，还具备良好的稳定性和可重复使用性，为实际应用提供了重要的保障。

通过实验数据的分析，我们发现FeOOH的添加量对光催化性能具有重要影响。当FeOOH的含量适当时，能够有效调节体系的能带结构，从而提高电荷迁移效率。这一现象可以通过电荷转移机制和能带结构的匹配来解释。FeOOH的引入不仅促进了电子和空穴的分离，还为光生载流子提供了额外的迁移路径。此外，FeOOH与g-C?N?和Cu?O之间可能形成了Z型异质结和Type II p-n异质结结构，这两种结构的协同作用有助于减少电荷复合并增强氧化还原能力。因此，FeOOH在三元异质结中扮演了关键角色，其添加量的优化对提升光催化性能至关重要。

综上所述，本研究成功构建了一种新型的g-C?N?/FeOOH/Cu?O三元异质结光催化剂，并通过系统的表征手段验证了其结构和性能。实验结果表明，该三元异质结在可见光驱动下的光催化降解效率显著高于二元异质结和单一材料。此外，该材料在多次循环后仍能保持较高的降解效率，显示出良好的稳定性和可重复使用性。这些特性使其在环境修复和能源转换领域具有广阔的应用前景。本研究的成果不仅为设计和优化高效的异质结光催化剂提供了新的思路，也为实现可持续发展目标贡献了重要的科学依据。