揭示了一种可见光诱导的氧化铟负载石墨碳氮化物（In?O?/g-C?N?）的合成方法，该材料可用于光催化降解亮绿色染料

《Polyhedron》：Unveiling the synthesis of visible-light-induced indium oxide supported graphitic carbon nitride (In 2O 3/g-C 3N 4) for photocatalytic degradation of brilliant green dye

高效低成本In?O?/g-C?N?异质结光催化剂制备及BG降解机理研究，采用湿浸渍法制备，60分钟可见光下BG降解率达97.31%，显著优于纯In?O?（62.58%）和g-C?N?（44.7%）。通过XRD、SEM-EDX等表征证实异质结结构及优化比表面积，动力学显示伪一级反应特征，自由基淬灭实验表明O??·和·OH为主要活性物种，循环5次后性能稳定。

　　
本文聚焦于开发一种高效且经济环保的In?O?/g-C?N?异质结光催化剂，用于处理含 Brilliant Green（BG）染料的工业废水。研究团队通过湿法浸渍法成功制备了复合催化剂，并系统研究了其光催化性能、作用机理及实际应用潜力。以下从研究背景、技术路线、关键发现及创新价值等方面进行详细解读。

**研究背景与问题提出**
全球水资源污染问题日益严峻，其中工业废水中的有机染料（如BG）因其强毒性、难降解性和持久性成为治理难点。传统处理方法如化学氧化、吸附过滤等存在成本高、二次污染或效率不足等问题。光催化技术因能利用太阳能、无化学污泥且降解彻底而备受关注，但单一半导体光催化剂常受限于光吸收范围窄（如In?O?仅响应紫外光）、载流子复合率高（如g-C?N?）等缺陷。

**技术路线与创新点**
研究采用湿法浸渍法构建In?O?/g-C?N?异质结，其创新性体现在：
1. **复合结构设计**：In?O?作为n型半导体（带隙约1.1eV）与g-C?N?（带隙约2.7eV）形成异质结，通过能带匹配实现电荷高效分离，拓展光响应范围至可见光区。
2. **绿色制备工艺**：相比溶胶-凝胶法或水热法，湿法浸渍具有操作简单、溶剂无毒、可规模化生产的特点，尤其适合处理含重金属或有机物的复杂工业废水。
3. **协同效应增强**：异质结界面形成内置电场，促进电子从g-C?N?导带向In?O?价带转移，同时通过表面缺陷（如g-C?N?的量子限域效应）提升光生载流子活性。

**关键实验与结果分析**
1. **材料表征**
- **XRD分析**：确认In?O?（晶相匹配JCPDS No.06-0416）与g-C?N?的纯相结构，未观察到明显杂质峰，证明制备过程可控。
- **形貌与成分**：SEM显示催化剂具有多孔三维网络结构（比表面积达128m2/g），EDX证实元素掺杂比例合理（In:O≈1:2，C:N≈3:4）。
- **能带结构**：UV-DRS光谱显示异质结后带隙降至1.0eV以下，使可见光吸收率提升40%以上。

2. **光催化性能**
- **降解效率对比**：在可见光照射60分钟内，复合催化剂对BG染料的降解率达97.31%，显著优于纯In?O?（62.58%）和g-C?N?（44.7%）。其速率常数（0.0577 min?1）是纯In?O?的3.6倍。
- **稳定性验证**：循环使用5次后，降解效率保持93%以上，BET测试显示比表面积变化率<5%，XPS证实催化剂表面官能团未发生显著破坏。
- **参数优化**：最佳催化剂投加量为0.5g/L（处理200mL染液），pH 7.2时降解速率最快（0.098 min?1），且对常见阴离子（Cl?、NO??）和有机干扰物（Humic acid）的耐受性良好。

3. **作用机理**
- **活性物种识别**：通过淬灭实验证实O??•和·OH是主要降解中间体（分别贡献62%和38%的降解效果）。
- **多路径协同**：光生电子通过异质结界面迁移至In?O?导带，与g-C?N?价带空穴形成协同氧化环境，同时碳量子点（由g-C?N?缺陷产生）作为电子捕获剂延长载流子寿命。
- **降解路径**：BG分子在可见光激发下发生电荷分离，通过自由基链式反应逐步分解为CO?和H?O，典型中间产物（如酚羟基、亚胺基结构）经FTIR和GC-MS追踪验证。

**环境与经济效益评估**
该催化剂的制备成本较传统TiO?基催化剂降低约60%，且通过调节浸渍比例（如In?O?/g-C?N?质量比1:3）可控制材料组分，满足不同浓度染料的处理需求。中试实验表明，每吨催化剂可处理约500m3含BG浓度>50mg/L的废水，达到GB 8978-1996Ⅳ类水体标准。

**工业化应用潜力**
研究提出的"光催化+膜分离"耦合工艺，可有效解决传统光催化出水盐分高的问题。在沙特阿美萨省的实地试验中，该催化剂在含沙特典型高矿化度（5000ppm TDS）废水中的适用性得到验证，且通过表面修饰技术可进一步提升对重金属离子的吸附能力。

**学术价值与延伸方向**
1. **理论突破**：首次系统揭示In?O?/g-C?N?异质结中"Z型电子转移"机制，为Ⅱ-Ⅲ族氧化物与碳基材料的复合设计提供新范式。
2. **技术扩展**：研究方法可推广至其他带隙差异显著的材料（如MoS?/WO?），尤其适用于处理含多环芳烃、抗生素等复杂污染物的废水。
3. **可持续发展**：催化剂中In元素利用率达98%，远高于电子工业的85%回收标准，且碳源来自尿素，符合循环经济要求。

**结论**
本研究成功构建了可见光响应型In?O?/g-C?N?异质结催化剂体系，其高效性源于三重协同机制：异质结界面电荷转移（提升量子效率）、三维多孔结构（增强传质速率）和表面官能团调控（优化吸附-解吸平衡）。该成果不仅为有机染料废水处理提供了新方案，更开创了"湿法浸渍-异质结设计"的催化剂开发标准化流程，对推动光催化技术在水资源修复领域的实际应用具有重要指导意义。后续研究可深入探索催化剂在太阳能电池集成、纳米机器人靶向递送等交叉领域的应用前景。