等离子体介导的Pt@BiOBr/g-C3N4 S型异质结电荷转移机制及其太阳能驱动水处理应用研究

针对抗生素和染料污染物降解效率低的问题，西安建筑科技大学团队通过构建Pt@BiOBr/g-C3N4 S型异质结，利用铂纳米颗粒(SPR)效应和内部电场(IEF)协同作用，实现10分钟内完全降解四环素(TC-HCl)，为高效光催化剂设计提供新范式。

　　

在工业废水处理领域，抗生素和有机染料污染犹如潜伏的"环境杀手"。四环素类化合物和罗丹明B等污染物不仅难以自然降解，还会通过食物链富集威胁人类健康。传统半导体光催化技术虽被视为绿色解决方案，却长期受困于两大瓶颈：可见光利用率低如"近视眼"，光生电荷复合快似"漏水的筛子"。这些问题使得现有光催化剂在实际应用中往往"力不从心"。

西安建筑科技大学材料科学与工程学院的研究团队独辟蹊径，将目光聚焦于二维材料与等离子体效应的协同作用。他们创新性地构建了Pt@BiOBr/g-C₃N₄三元异质结系统，犹如为光催化剂装上了"太阳能放大器"和"电荷高速公路"。这项突破性研究发表在《Journal of Water Process Engineering》上，揭示了等离子体金属与S型异质结的协同增效机制。

研究团队采用光化学沉积法精准调控Pt纳米颗粒的分布，通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)确认了材料的晶体结构和形貌特征。紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)证实Pt的局域表面等离子体共振(SPR)效应将光响应范围扩展至近红外区。光电化学测试和电子顺磁共振(EPR)技术揭示了内部电场(IEF)与SPR的协同作用机制。

微观结构与化学组成
XRD图谱显示BiOBr的(102)和(110)晶面特征峰与g-C₃N₄的(002)面共存，证实了异质结的成功构建。高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)观察到Pt纳米颗粒均匀分布在BiOBr纳米片表面，元素映射证实了三元组分的空间分布。

光催化性能评估
优化后的3-PBC样品在模拟太阳光下10分钟内即可完全降解10 mg·L^-1的TC-HCl，降解速率是纯BiOBr/g-C₃N₄的14.2倍。对甲基橙(MO)和罗丹明B(RhB)的降解实验表明该催化剂具有广谱降解能力。循环实验证实材料保持90%以上的初始活性，展现出卓越的稳定性。

机理分析
通过原位X射线光电子能谱(in-situ XPS)发现BiOBr的Br 3d轨道结合能正向偏移，证实了IEF的存在。瞬态吸收光谱表明Pt纳米颗粒作为电子"中转站"，将电荷分离效率提升3.7倍。理论计算揭示SPR产生的热电子注入BiOBr导带，形成双通道电荷传输路径。

这项研究不仅为设计高效等离子体增强型光催化剂提供了新思路，更创新性地提出了"SPR-IEF"协同调控策略。Chen Jin等研究者通过精确控制Pt纳米颗粒的尺寸和空间分布，实现了可见-近红外光捕获与电荷分离的协同优化。该工作对环境污染物治理和太阳能转化领域具有重要指导意义，为发展"双碳"目标下的绿色水处理技术提供了理论依据和实践范例。