掺镁氧化铋的合成及其在甲基橙和四环素光催化降解中的应用

《Results in Chemistry》：Synthesis of magnesium doped bismuth oxide for the photocatalytic degradation of methyl orange and tetracycline

Mg掺杂Bi?O?制备及光催化降解MO和TC研究。采用沉淀法制备Bi?-xMg???O?，通过XRD、UV-DRS、PL等表征证实掺杂优化了晶体结构和光性能，抑制电荷复合。x=0.04时降解效率最高：MO 94.5%（90min），TC 99.8%（60min），主要活性物种为超氧自由基和空穴。该催化剂为环境水处理提供高效解决方案。

　　这项研究围绕镁掺杂的氧化铋（Bi?O?）的合成及其在光催化降解甲基橙（MO）和四环素（TC）中的应用展开。随着工业化和城市化的快速发展，水体污染问题日益严重，其中合成染料和药物残留是特别值得关注的污染物。这些污染物具有高度的稳定性、难降解性和潜在的毒性，对生态系统和人类健康构成威胁。因此，开发高效、环保的降解技术显得尤为重要。

光催化技术因其利用半导体材料吸收太阳能并驱动光化学反应的特性，成为解决这类污染问题的一种有前景的方法。氧化铋因其合适的带隙、优良的光学性能和良好的环境兼容性，成为光催化领域的研究热点。然而，纯氧化铋在光催化过程中往往面临光生电荷载流子快速复合的问题，这限制了其整体效率。为了克服这一缺陷，研究人员通过掺杂不同元素来改善其性能，其中镁（Mg）作为一种有效的掺杂剂，已被证明在多种金属氧化物体系中能够显著提升其光催化活性。

在本研究中，采用沉淀法合成了不同镁掺杂浓度的Bi?O?材料，即Bi???Mg?.??O?，其中x分别取0.02、0.04和0.06。实验结果显示，掺杂后的材料表现出优异的光催化性能，特别是在降解MO和TC方面。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）、光致发光（PL）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDAX）等多种手段对材料的结构和性能进行了系统表征。

XRD分析表明，纯Bi?O?主要由单斜相（α相）组成，而掺杂后的样品则表现出不同的晶体结构。当x为0.02和0.04时，样品主要呈现立方相（γ相），而当x为0.06时，材料又恢复为混合相，其中包含Bi??MgO??。这种结构变化表明，镁的掺杂不仅改变了Bi?O?的晶体结构，还对其性能产生了显著影响。此外，XRD还显示，随着掺杂浓度的增加，平均晶粒尺寸有所减小，尤其是x=0.04时，晶粒尺寸达到最小值，这可能有助于提高材料的比表面积，从而增强光催化活性。

XPS分析进一步验证了镁的成功掺杂。结果表明，掺杂样品中不仅存在Bi和O，还检测到了Mg的存在。通过分析Bi 4f和O 1s的结合能，可以确定材料中Bi的主要氧化态为Bi3?，而O则表现出两种不同的结合能，分别对应于晶格氧和表面吸附氧物种。这些结果说明，镁的掺杂改变了Bi?O?的电子结构，形成了更多的表面活性位点，从而提高了其光催化性能。

光谱分析显示，掺杂后的Bi?O?在可见光区域表现出更宽的吸收范围，这意味着其带隙被有效调控，从而提高了对可见光的响应能力。通过Tauc图计算得出，随着镁掺杂浓度的增加，带隙能量逐渐减小，其中x=0.04时的带隙能量最低，达到2.58 eV。这种带隙变窄的现象有助于材料更有效地吸收可见光，进而提升其在可见光下的光催化效率。

PL光谱结果显示，掺杂样品的光致发光强度明显低于纯Bi?O?，这表明镁的掺杂有效抑制了光生电子和空穴的复合，从而提高了电荷载流子的分离效率。这种电荷分离的改善是光催化性能提升的关键因素之一。此外，电化学测试（如EIS和TPR）进一步验证了这一点，表明掺杂后的材料具有更低的电荷转移电阻和更高的光电流响应，说明其电荷传输性能得到了显著增强。

在形态学分析方面，FE-SEM图像显示，纯Bi?O?呈现出紧密聚集的结构，而掺杂后的样品则表现出更均匀的分布和更细小的颗粒尺寸。特别是x=0.04的样品，其颗粒大小和分布均优于其他掺杂浓度，这可能与其更优的表面活性和更高的比表面积有关。EDS分析进一步确认了镁在材料中的均匀分布，为光催化性能的提升提供了结构上的支持。

在光催化性能测试中，研究人员评估了不同条件下的降解效率，包括污染物浓度、光源类型以及反应时间。实验结果表明，当使用10 mg催化剂处理10 ppm的MO和TC时，x=0.04的样品表现出最高的降解效率，分别为94.5%和99.8%。这表明，适量的镁掺杂能够显著提升Bi?O?的光催化性能。此外，当使用可见光（500 W）时，降解效率低于UV光（250 W），这可能与可见光的光子能量较低，难以有效激发材料中的电子跃迁有关。

为了进一步理解光催化机制，研究人员进行了自由基捕获实验。结果表明，银离子（Ag?）、乙二胺四乙酸（EDTA）、1,4-苯醌（BQ）和异丙醇（IPA）作为自由基捕获剂，对MO的降解效率分别达到73.02%、5.55%、13.11%和92%。其中，BQ和EDTA的混合使用导致降解效率最低，这表明超氧自由基（·O??）和空穴（h?）是主要的活性物种。这些自由基在光催化过程中起着关键作用，能够有效氧化有机污染物，将其转化为无害的产物如CO?和H?O。

此外，研究人员还评估了催化剂的可重复使用性。通过连续三次循环实验，发现x=0.04的样品在第二次循环后降解效率下降至80.41%，第三次循环后进一步降至70.74%。这种效率的下降主要归因于在回收过程中部分催化剂材料的损失。然而，XRD分析表明，回收后的样品仍然保持了其原有的晶体结构，这表明该材料具有一定的结构稳定性，具备实际应用的潜力。

研究结果表明，镁掺杂的Bi?O?在光催化降解有机污染物方面表现出优异的性能。其优异的光催化效果主要得益于结构优化、带隙调控和电荷载流子分离效率的提高。这些改进使得Mg掺杂的Bi?O?成为一种高效的光催化剂，适用于处理含有持久性有机污染物的废水。本研究不仅为设计和开发高效光催化剂提供了理论依据，也为可持续的水处理技术提供了新的思路。通过深入理解镁掺杂对Bi?O?性能的影响，未来可以进一步优化掺杂比例和制备工艺，以提升其在实际环境中的应用价值。