Bi?O?/BiOX（X=F、Cl、Br或I）多功能异质结类型，用于高效处理受污染的水

《Journal of Molecular Structure》：Bi 2O 3/BiOX (X=F, Cl, Br or I) multifunctional heterojunctions type for efficient polluted water remediation

Bi?O?/BiOX异质结材料通过水热法合成并系统研究不同卤素（F、Cl、Br、I）的影响，发现BiOBr改性后材料对甲基蓝吸附效率达98%（50分钟），光降解咖啡因在紫外下81%，可见光下53%。银纳米改性后咖啡因降解率提升至92%（紫外）和68%（可见光），并实现4-硝基酚高效催化还原（kapp=0.049 min?1）。研究揭示了异质结材料的多功能性及其在废水处理中的应用潜力。

　　

A.L. Ruiz-Castillo | Brenda Acosta Ruelas | Eduardo Arenas Sánchez | Elena Smolentseva | C. E. Ni?o González | M.A. Urbano-Pe?a | F. Ruiz

摘要

持久性有机污染物造成的水污染需要能够通过多种工艺去除多种污染物的多功能材料。本研究系统地比较了整个卤化物系列中的Bi₂O₃/BiOX（其中X为F、Cl、Br或I）异质结，这类研究较为罕见。本文重点探讨了卤素种类对材料结构-性能关系的影响。Bi₂O₃/BiOX异质结是通过将氧化铋（Bi₂O₃）与相应的卤化物盐进行原位改性，采用溶剂热法制备的。所得材料通过扫描电子显微镜（SEM和TEM）、X射线衍射（XRD）、氮吸附、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱以及紫外-可见光漫反射光谱（DRS）进行了表征。其多功能性通过甲基蓝（MB）吸附、水溶液中咖啡因的光降解以及4-硝基酚（4-NP）的催化还原实验进行了评估。研究发现，不同异质结的光催化氧化速率存在明显差异，其中Bi₂O₃/BiOBr的性能最佳：在50分钟内可去除98%的甲基蓝，并在紫外光下实现81%的咖啡因降解效率，在可见光下实现53%的降解效率。清除实验表明，光生空穴（h⁺）和超氧阴离子（·O??）是参与降解过程的主要活性物种。在Bi₂O₃/BiOBr表面掺入银纳米粒子（Ag，0.25wt%）后，咖啡因的光降解效率在紫外光下提高到92%，在可见光下提高到68%，并且4-硝基酚的催化还原反应速率常数（k_app）为0.049 min^?1。重复使用实验显示，催化活性显著下降（两次循环后活性下降超过70%），这可能是由于4-AP对活性位点的堵塞、银纳米粒子部分流失以及纳米粒子团聚所致。

本研究证实Bi₂O₃/BiOBr是BiOX系列中性能最优的异质结，并证明银修饰不仅增强了光催化性能，还促进了催化还原反应。这些发现体现了异质结的多功能性，为废水处理多功能光催化剂的设计提供了新的思路。

部分内容摘录

引言

由有机染料、药物残留物和重金属等持久性污染物引起的水污染是一个严重的环境问题。人们为开发先进的废水处理材料和技术付出了大量努力[1,2]。其中，吸附和光催化方法（尤其是利用纳米级半导体的方法）备受关注[3]。

基于铋的纳米材料因其低毒性和环保性而受到了广泛关注

材料

用于溶剂热法的试剂包括：五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O（≥98%，ACS试剂，Sigma–Aldrich）、D-果糖（C₆H₁₂O₆，98-102%，Hycel，墨西哥）、乙二醇（C₂H₆O₂≥99.0%，试剂级，Fermont）；合成和洗涤过程中还使用了乙醇（C₂H₆O，≥99.7%，Fermont）和去离子水（Jalmek，墨西哥）。用于制备的溶剂还包括氟化钾（KF，≥99%，ACS试剂，Sigma–Aldrich）、氯化钾（KCl，99.0–100.5%，ACS试剂，Sigma–Aldrich）和溴化钾（KBr，≥99%，ACS试剂）。

X射线衍射

图1展示了制备的Bi₂O₃/BiOX异质结的XRD图谱。参考样品Bi₂O₃显示出四方晶系β-Bi₂O₃的特征反射峰（JCPDS 27-005），分别位于28.2°、32.0°、32.6°、46.4°、47.1°、54.5°、55.7°和58.0°，对应于（201）、（002）、（220）、（222）、（400）、（203）、（421）和（402）晶面[43]。此外，还检测到了少量单斜晶系α-Bi₂O₃（JCPDS 41-1449）的存在，表现为26.0°处的弱反射峰。

结论

采用水热法成功制备了Bi₂O₃/BiOX（X = F、Cl、Br或I）异质结，并对其进行了卤素原位改性，从而开发出了具有可调结构、光学和表面性能的多功能材料。实验结果表明，各组分之间存在协同作用：Bi₂O₃增强了可见光吸收并有助于改善能带排列，而BiOX则提供了多孔结构，有利于吸附作用的发生。

CRediT作者贡献声明

A.L. Ruiz-Castillo：方法学研究、数据分析、概念构建。Brenda Acosta Ruelas：方法学研究、资金筹集、数据分析、概念构建。Eduardo Arenas Sánchez：方法学研究、数据分析。Elena Smolentseva：写作与编辑、验证、数据分析、概念构建。C. E. Ni?o González：数据分析。M.A. Urbano-Pe?a：研究工作、数据分析、概念构建。F. Ruiz：数据验证、项目监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢M.C. Pedro Casillas Figueroa提供的技术支持，以及墨西哥科学技术、人文、技术及创新部（SECIHTI）通过项目A1-S-45958和302286以及315911和314931提供的资金支持。同时，作者也对国家物理、化学和生物分析实验室（LANAFQB-UASLP，I.D. 321178）的使用表示感谢，该实验室得到了SECIHTI的资助。