Advanced Sustainable Systems:纳米花形Bi/BiOClₓBr₁₋ₓ异质结用于高效固定化可见光光催化反应器

原创署名:潘奕辰

近年来,环境污染已成为人类社会最重要的问题之一,其中有机或无机化合物造成的水污染尤其收到关注。现有的研究表明,用光催化剂在太阳光直接照射下修复环境污染,是非常具有前景的策略。然而,常用的光催化剂具有一系列缺点,限制了大规模应用,如不能吸收可见光(即电子-空穴对的低生成率),以及光生成的电子-空穴对的短寿命(即高重组率)等。因此,迫切需要缩小催化剂材料的带隙能量来改善它们的光催化性能,从而使它们能利用占太阳辐射45%的可见光,并增加光诱导电荷载流子的寿命。此外,如果能使用地壳中丰度较高的材料,能更好地实现高成本效益、高能效和可扩展的大规模光催化系统。氧卤化铋(BiOXs,X=Cl、Br和I)具有独特的光学、电学特性,如间接带隙、优秀的电子构型、独特的层状结构、高偶极矩以及光生电子-空穴对的高分离率,在阳光照射下表现出优异的光催化活性。但现有的研究表明,单一组成的氧卤化铋难以实现可见光吸收和光催化性能的合理平衡,需要引入新的策略来优化材料性能。

近日,沙特国王大学Maha Al-Qunaibit和萨塔姆·本·阿卜杜勒·阿齐兹亲王大学Tawfik A. Saleh发表了研究文章,报道了利用低频超声处理制备具有暴露{001}面的Bi/BiOClxBr1-x异质结的方法,并通过溶液工艺将该材料制备为可见光光催化反应器,显示出理想的可见光吸收率、光催化降解率及稳定性。

在本工作中,作者以无机盐单质(NaCl、NaBr与Bi(NO)3-5H2O)为原材料,在室温、大气环境下,通过低频超声浴制备了组成为Bi/BiOClxBr1-x(x=0、0.2、0.5、0.8和1)的异质结胶体分散体。制备完成后,作者利用XRD、TEM、SAED、SEM等多种表征方法研究了其结构、化学组成及光学特性。

之后,作者再利用简单的滴铸方法制备了异质结薄膜,作为固定化光催化反应器,用于处理罗丹明RhB水溶液(≈5 ppm)。实验结果显示,Bi/BiOCl0.8Br0.2异质结薄膜在太阳光下显示出对罗丹明RhB的最高光催化效率,在60分钟内降解率达到了99%。作者认为,Bi/BiOCl0.8Br0.2薄膜具有三维花状形态,Bi纳米颗粒在三维花状形态上的沉积形成了异质结,大大改善了材料的光吸收强度和载流子分离效率。此外,在五个连续的罗丹明RhB光降解周期中,该材料显示了优异的形貌及光催化稳定性。综上所述,低频超声处理可用作快速、可扩展、成本效益高的材料合成策略,用于制备下一代高效固定化光催化反应器。

Fast Scalable Synthetic Methodology to Prepare Nanoflower-Shaped Bi/BiOClxBr1−x Heterojunction for Efficient Immobilized Photocatalytic Reactors under Visible Light Irradiation

Amani M. Alansi, Talal F. Qahtan, N. Al Abass, Jwaher M. AlGhamdi, Maha Al-Qunaibit*, Tawfik A. Saleh*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100267

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100267