近年来,抗生素的过度使用导致水体严重污染,威胁着生态环境安全和人体健康.太阳光驱动的半导体光催化技术被认为是一种有效去除污染物的手段.由于单一半导体光催化剂的多种缺陷,构建具有可见光响应和强氧化/还原能力的异质结光催化剂是去除有机污染物的有效途径.Bi8(CrO4)O11(BCO)作为一种新发现的可见光响应半导体,由于较正的价带位,使得其在光催化污染物降解和水氧化方面显示了潜在的应用价值.然而,快速的载流子复合抑制了其活性.石墨相氮化碳(g-C3N4,CN)作为不含金属的半导体备受关注,其不仅具有可见光响应、环境友好和电子结构可调等优点,而且二维结构和较负的导带位使得CN更容易与其它半导体形成异质结光催化剂.因此,氧化型的BCO和还原型的CN结合构成异质结,有望形成S型载流子转移,从而提高光生电子-空穴对的分离效率,进而提高光催化降解污染物的活性.本文通过自组装方法制备了一系列新型CN基异质结CN/BCO.CN/BCO异质结光催化降解诺氟沙星(NOR)和双酚A(BPA)的最优比为10％.相对于单体BCO和CN,10％CN/BCO对NOR的降解率分别提高了1.38倍和2.33倍;10％CN/BCO对BPA的降解活性亦得到明显增强,其对BPA的降解率分别是纯BCO和CN的1.35倍和9.11倍.光电流、电化学阻抗谱、稳态荧光和时间分辨瞬态荧光光谱证实了CN/BCO异质结可以显著提升BCO和CN的光生电子-空穴对的分离和迁移效率.原位X射线光电子能谱、电子顺磁共振和自由基捕获实验结果表明,CN/BCO异质结的光催化机制是S型转移.紫外光电子能谱、价带XPS光谱以及载流子浓度等数据进一步揭示了CN/BCO异质结中光生载流子符合S型转移机理的原因.CN作为还原型光催化剂具有较高的费米能级,而BCO作为氧化型光催化剂具有较低的费米能级.此外,CN的载流子浓度大于BCO的载流子浓度.当CN和BCO接触,多子(电子)很容易从CN迁移到BCO,直到它们的费米能级相等.因此,在CN和BCO之间形成了交错的能带结构和由CN指向BCO的内电场,而且在空间电荷区CN的能带向上弯曲,而BCO的能带向下弯曲.当可见光激发CN和BCO产生光生载流子时,在内电场驱动下,BCO导带的电子向CN迁移,CN价带的空穴向BCO迁移;而能带的弯曲和库仑斥力的作用,使得BCO价带的空穴和CN导带的电子各自留在原地.氧化还原能力弱的电子-空穴复合,而保留了空间分离的氧化还原能力强的电子和空穴,形成S型机制,从而显著提高了光催化活性.

Bi8(CrO4)O11;g-C3N4;S型机制;光催化降解;抗生素

顾晓蒙;陈太杰;雷健;杨洋;郑秀珍;张素娟;朱秋实;付先亮;孟苏刚;陈士夫

淮北师范大学绿色和精准合成化学及应用教育部重点实验室,安徽淮北235000;淮北师范大学化学与材料科学学院,清洁能源及绿色循环重点实验室,安徽淮北235000;安庆师范大学化学化工学院,功能配合物安徽省重点实验室,安徽安庆246011;淮北师范大学污染物敏感材料与环境修复安徽省重点实验室,安徽淮北235000

催化学报

[1]顾晓蒙;陈太杰;雷健;杨洋;郑秀珍;张素娟;朱秋实;付先亮;孟苏刚;陈士夫-.g-C3N4/Bi8(CrO4)O11 S型异质结的自组装制备及其光催化降解诺氟沙星和双酚A)[J].催化学报,2022(10):2569-2580

Bi8,BCO

C3N4,CrO4,O11,异质结,自组装,诺氟沙星,重污染,生态环境安全,人体健康,太阳光,光驱动,光催化技术,半导体光催化剂,可见光响应,有机污染物,新发现,较正,价带,污染物降解,水氧化,载流子复合,石墨相氮化碳,CN,含金,电子结构,二维结构,导带,还原型,光生电子,空穴,分离效率,光催化降解污染物,组装方法,NOR,BPA,最优比,降解率,明显增强,光电流,电化学阻抗谱,时间分辨,瞬态,荧光光谱,电子顺磁共振,自由基捕获,光催化机制,紫外光电子能谱,XPS,载流子浓度,光生载流子,转移机理,费米能级,多子,相等,能带结构,内电场,空间电荷,荷区,带向,光激发,生光,库仑,斥力,自留,氧化还原,空间分离,光催化活性

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