黄洪伟教授团队综述：钨酸铋基光催化剂在环境和能源领域的最新研究进展

前言

近日，《催化学报》在线发表了中国地质大学（北京）黄洪伟教授课题组在光催化领域的最新综述文章。该工作综述了Bi₂WO₆基光催化剂的最新研究进展。论文第一作者为陈通，论文通讯作者为黄洪伟教授。

背景介绍

作为一种有着广阔前景的绿色无污染的能源转化和环境修复技术，半导体光催化既能够实现从太阳能到化学能的转换，还可以通过产生活性氧物种实现目标污染物的氧化分解，因而成为了国内外研究最为活跃的领域之一。Bi₂WO₆作为一种典型的Aurivillius层状钙钛矿材料，具有独特的层状结构、良好的可见光光催化活性、高的热稳定性和光化学稳定性及环境友好性等特点而备受关注。然而，有限的光吸收和光生载流子的快速复合阻碍了其光催化性能的进一步提高。因此，如何通过各种有效的改性策略进一步增强Bi₂WO₆光催化剂的活性一直是该领域研究者们所关注的焦点。本文从材料调控手段的角度出发，总结了Bi₂WO₆在能源和环境领域的研究进展，分析了目前所面临的挑战，展望了未来的研究发展趋势。

本文亮点

1. 本文从光催化基本原理和Bi₂WO₆的晶体结构、光学性质入手，阐述了Bi₂WO₆在光催化领域的巨大潜力。

2. 围绕着Bi₂WO₆的改性策略，包括形貌控制、原子调控和复合材料制备，重点讨论了Bi₂WO₆在水分解、污染物处理、空气净化、杀菌消毒、二氧化碳还原、选择性有机合成等领域的光催化应用。

3. 对Bi₂WO₆基光催化剂当前面临的挑战和未来的发展作了总结和展望，为进一步发展高效的Bi₂WO₆基以及其他高活性的光催化剂提供了有效的指导。

图文解析

要点1：光催化的基本原理和Bi₂WO₆的结构与性质特征 

当能量大于或等于半导体带隙的光照射半导体纳米粒子时，半导体能够产生光生电子空穴对，继而从体相迁移至表面，再在表面分离后分别在还原位和氧化位参与化学反应，实现各类光催化反应。从图1（c）可以看到Bi₂WO₆具有合适的导价带位置，不仅具有可见光活性，其氧化还原电位也能够满足大部分反应的需求，因而在光催化领域大有可为。

图1. （a）半导体光催化的基本原理[1]；（b）Bi₂WO₆的晶体结构；（c）不同物种的氧化还原电位及Bi₂WO₆的能带位置（文中出现的Figure 2）

要点2：形貌控制提升Bi₂WO₆的光催化性能

光催化材料的性能不仅取决于它们的化学成分，而且还与它们的尺寸大小和形貌有很大关联。大的比表面积既有利于提高催化剂对反应物的吸附能力，同时还能够产生更多的活性位点，此外，纳米材料还可以减少光生电荷从体相到表面的扩散距离，从而有效地分离光生电子和空穴。近年来，研究者们已经制备了各种三维（3D）、二维（2D）、一维（1D）和零维（0D）Bi₂WO₆光催化剂去提高其光催化活性。

以2D Bi₂WO₆为例，Liang等人以油酸钠作为表面活性剂成功制备了单晶胞层Bi₂WO₆。相比于体相Bi₂WO₆，其比表面积得到了极大的增加，同时还增强了表面电荷密度。基于这些优异的性质，单晶胞层Bi₂WO₆的CH4产率达到了75 μmol/g/h，是体相的Bi₂WO₆的125倍。此外，Zhou等人制备出了具有三明治结构（[BiO]+-[WO₄]₂--[BiO]+）的单层Bi₂WO₆，使得光生空穴直接在催化剂表面层产生，同时光生电子在Bi₂WO₆中间层生成，从而实现了有效的电荷分离。

图2. （a）单晶胞层Bi₂WO₆的TEM图像；（b）单晶胞层Bi₂WO₆和（c）体相Bi₂WO₆的态密度图；（d）单晶胞层Bi₂WO₆和（e）体相Bi₂WO₆的导带边缘的电荷密度分布；（f）光催化CH₄的产率[2]；（g）单层Bi₂WO₆的TEM图像和相应的HRTEM图像；（h）单层Bi₂WO₆的AFM图像；（i）单层Bi₂WO₆的光催化机理示意图[3] （文中出现的Figure 8）

要点3：原子调控增强Bi₂WO₆的光催化活性

材料的光催化性能与其内在特性密不可分，包括光吸收范围、光生载流子的迁移和分离效率以及表面反应状态等。纯相Bi₂WO₆的性能可能无法完全满足所有要求，因而有必要对Bi₂WO₆进行改性以进一步提高其光催化性能。通过对Bi₂WO₆进行原子调控可以很好地调控其化学成分、原子排列、晶体和电子结构，从而提高其光催化活性。

掺杂和缺陷工程能够有效的调制Bi₂WO₆的原子结构。以缺陷工程为例，Di等人证明了Bi空位的存在能够形成缺陷能级，并促进水分子的吸附和活化。同样地，亚表面中W空位也能够形成缺陷能级，进而提升了光催化苯甲醇的氧化效率。瞬态红外光谱表明Bi-O空位对能够提高光生载流子的分离效率。

图3. （a）富含Bi空位的Bi₂WO₆的像差校正的高角环形暗场-扫描透射电子显微镜；（b）图（a）中Bi₂WO₆的结构模型（紫色球代表原子，空白表示模型表面的Bi空位）；（c）Bi₂WO₆光催化产氧的循环曲线[4]；（d）具有W空位的Bi₂WO₆的光催化机理示意图[5]；（e）Bi₂WO₆的态密度图；（f）具有Bi-O空位对的Bi₂WO₆和（g）板结构的Bi₂WO₆的瞬态红外吸收光谱[6] （文中出现的Figure 17）

要点4：构建复合材料提升Bi₂WO₆的光催化性能

通过形貌控制和原子调控，Bi₂WO₆的光催化活性能够得到提高，但由于只存在Bi₂WO₆这一种组分，光生载流子在空间上无法得到彻底的分离。而制备复合材料能够有效的实现光生电子和空穴的空间分离，此外还能够增强光吸收能力。目前，耦合Bi₂WO₆的材料主要包括金属基材料、碳基材料、半导体材料。构建Z‐scheme半导体异质结在光催化领域展现了巨大的潜力。最近，Jiang等人通过静电自组装制备了直接Z‐scheme的CsPbBr₃/Bi₂WO₆异质结。作者通过光辅助的开尔文探针力显微镜研究了材料的表面电位分布，结果表明，在光照后，Bi₂WO₆和CsPbBr₃的表面电位差从14.4 mV增加到27.2 mV，这是由于CsPbBr₃表面聚集了更多的光生电子，验证了Z‐scheme系统中电荷的传递机制。这种2D/2D异质结构的构造，不仅有利于形成大面积的异质界面，同时还缩短了电荷的转移距离。

图4. （a）CsPbBr₃/Bi₂WO₆的元素映射图；（b）选定区域的AFM高度图像；（c）黑暗下的表面电位图像；（d）光照下的表面电位图像；（e）相对应的表面电位曲线图；（f）CsPbBr₃/Bi₂WO₆的电荷转移机制示意图[7] （文中出现的Figure 26）

参考文献

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全文小结

Bi₂WO₆高效的可见光响应光催化剂已经受到了广泛的关注。通过各种改性策略能够有效的增强其光催化活性，如对它的形貌和表面化学成分进行合理设计，在原子级别实现对Bi₂WO₆的掺杂和缺陷调控以及和其他材料构建复合体系等。值得注意的是，Bi₂WO₆基光催化剂当前仍然面临着许多的挑战有待去解决。