（BiO）?CO?/g-C?N? Z型纳米复合材料的简易制备方法，用于提升罗丹明B的光催化降解性能

《Journal of Organometallic Chemistry》：Facile Construction of (BiO)?CO?/g-C?N? Z-Scheme Nanocomposite for Enhanced Photocatalytic Degradation of Rhodamine B

光催化降解罗丹明B的异质结材料制备及性能研究。采用超声化学法制备(BiO)2CO3/g-C3N4 Z型异质结，在UV照射下对Rh-B降解效率达91%，较纯g-C3N4提升8.6倍。机理表明异质结增强可见光吸收与载流子分离效率，主要活性物种为超氧自由基和光生空穴。

　　

阿米拉·马苏德（Amira Masoud）| M.A. 艾哈迈德（M.A. Ahmed）| 弗里茨·库恩（Fritz Kühn）| 加达·巴西奥尼（Ghada Bassioni）

化学系，萨克森埃及应用科学技术大学，邮政信箱11829，开罗，埃及

摘要

污染物光降解被认为是保护环境最有效且最环保的技术之一。通过制备异质结可以改善光催化性能，这已被证明是最高效的方法。本文采用了一种简单的超声化学技术成功制备了（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄ Z型异质结。在紫外光照射下，10%的（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄异质结对罗丹明B（Rh-B）的降解表现出优异的光催化活性，其降解效率是纯g-C₃N₄的8.6倍。研究表明，异质结的制备通过提高可见光的吸收率和光生载流子的分离效率来增强光降解速率。此外，自由基捕获实验表明，参与Rh-B降解的主要反应物种是超氧自由基和光诱导的空穴。

引言

由于经济的快速扩张和发展以及世界人口的持续增长，环境问题也在恶化，尤其是在水资源方面[[1], [2], [3], [4]]。据报道，工业染料导致了高达20%的水污染[[5], [6]]。这些染料被广泛使用，主要作为着色剂，例如在复印、化妆品、激光打印、纸张生产、食品和纺织品中，以及作为添加剂[1],[7,8]。不幸的是，大约15%的染料在染色过程中被排放到废水中并流失[9,10]。特别是9-(2-羧基苯基)-6-(二乙氨基)-N,N-二乙基-3H-呫吩-3-亚胺氯化物（通常称为罗丹明B，Rh-B），这种常见的水溶性阳离子染料，对生物体有负面影响，并被认为会引起过敏性皮炎、癌症、呼吸道感染等健康问题[11]。吸附[12]、生物修复[13]、膜分离[14]、电化学方法[15]和光催化[[16], [17], [18], [19]]都已被用于处理有机染料引起的水污染。在比较这些技术时，光催化通常因其优势而被选中，包括其快速性、环境安全性、高效率以及将有害有机分子转化为CO₂和H₂O的能力[20]。

由于其强大的还原能力、优异的稳定性和独特的电学特性以及较低的成本，g-C₃N₄最近受到了广泛关注[[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。尽管无金属的g-C₃N₄的带隙（Eg）值较小（+2.7-3.0 eV），但其光催化性能仍然不足，因为光诱导的电子/空穴复合速度很快，这对单一半导体光催化剂来说是一个重大障碍[[31], [32]]。通过将g-C₃N₄与其他光催化剂（如KBiO₃/g-C₃N₄ [33]、MnFe₂O₄/g-C₃N₄ [34]、CoCeOx/g-C₃N₄ [35]、AgI/g-C₃N₄ [36]、CeO₂/g-C₃N₄ [37]、Al₂O₃/g-C₃N₄ [38]、AgBr/P-g-C₃N₄ [39]、BiOBr-g-C₃N₄ [40]等）形成异质结构，可以克服这一缺点。由于协同效应，这些光催化剂中的异质结构不仅抑制了载流子的复合，还提供了某些独特的特性[41]。

基于铋的半导体具有优异的光催化特性，包括Bi₂MoO₆ [[42], [43]]、Bi₂WO₆ [44]、BiVO₄ [45]、BiOX（X = I, Br, 和 Cl）[[46], [47], [48]]、Bi₂Sn₂O₇ [49]和（BiO）₂CO₃ [50]。（BiO）₂CO₃是一种越来越受关注的半导体光催化材料，它是一种Sillén/Aurivillius相化合物，具有交替的[CO₃]^2-和[Bi₂O₂]²⁺层结构。这种结构具有显著的氧化还原性能，能在层间引发光催化反应[[51], [52], [53], [54]]。理论上，（BiO）₂CO₃的价带比g-C₃N₄更高，而g-C₃N₄的导带比（BiO）₂CO₃更低[55]。因此，由g-C₃N₄和（BiO）₂CO₃形成的异质结构提高了载流子的分离效率，从而增强了光催化活性。

在本研究中，采用了一种简单的超声化学技术在2D纳米片g-C₃N₄表面制备了（BiO）₂CO₃纳米颗粒，用于在紫外光照射下降解Rh-B。10%的（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄异质结表现出优异的可见光吸收能力和光生载流子的分离能力，从而实现了高效的光降解，Rh-B的降解率约为91%。这些数据表明，10%的（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄异质结是一种有效的染料降解光催化剂。最后，本研究分析了这种Z型异质结的光催化机制。

实验部分

实验方法

未提供具体实验方法。

材料

碳酸钠（Na₂CO₃）、五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O）、尿素、氢氧化钠、盐酸、乙醇、硝酸、KI、苯醌、异丙醇和罗丹明-B染料均从Sigma-Aldrich公司购买，纯度为99%。所有实验均使用超纯水（0.056 μS.cm^-1）（Milli-Q IQ7010）。

g-C₃N₄的合成

采用热聚合技术合成g-C₃N₄。首先用无水乙醇对尿素进行重结晶，然后将其装入带盖的氧化铝坩埚中...

XRD分析

CN、BOCO以及5% BOCO/CN、10% BOCO/CN和15% BOCO/CN纳米复合材料的X射线衍射图如图1所示。对于纯CN，观察到两个明显的峰，分别位于10.6°和27.8°，对应于（1 0 0）和（0 0 2）晶面，分别代表三嗪单元的平面内排列和共轭芳香体系的层间堆叠[56]。BOCO的XRD谱在2? = 23.9°、30.3°、32.8°、42.3°、49°处显示了七个峰...

结论

通过简单的超声化学技术在2D纳米片g-C₃N₄表面制备了（BiO）₂CO₃纳米颗粒，用于在紫外光下降解Rh-B。优化的（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄异质结具有优异的可见光吸收能力和提高的分离效率，以及对RhB染料的高光降解效率（91%）。研究结果证实，（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄异质结是一种有效的...

CRediT作者贡献声明

阿米拉·马苏德（Amira Masoud）：撰写原始草稿、方法论、正式分析。 M.A. 艾哈迈德（M.A. Ahmed）：撰写原始草稿、验证、监督、方法论、概念化。 弗里茨·库恩（Fritz Kühn）：审稿与编辑、验证、监督、研究、概念化。 加达·巴西奥尼（Ghada Bassioni）：审稿与编辑、验证、监督、研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。本研究（简单制备直接（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄ Z型异质结构纳米复合材料光催化剂：优化后的（BiO）₂CO₃/g-C₃N₄异质结构、罗丹明-B染料的光催化性能、电荷转移机制）是独立进行的，未获得任何财务或商业支持。