渤海大学常春J. Colloid Interface Sci.: 铋诱导相转变原位合成t/o-Bi2WO6同质结光催化剂及其性能研究

一、引言

社会经济发展和工业化导致环境和能源问题日益恶化。光催化技术由于其在去除污染物等方面具有简单、高效的特点而受到广泛关注。近年来，铋基半导体光催化剂因其优越的电子结构、对可见光的强烈响应、优异的光氧化稳定性以及对难降解有机污染物的高效降解而引起人们很大研究兴趣。本文通过新颖的原位铋诱导相转变制备了具有高光催化效率的四方相/正交相-钨酸铋 (tetragonal/orthorhombic-Bi₂WO₆, t/o-Bi₂WO₆) 同质结。通过形成同质结提高了t-Bi₂WO₆的光催化效率。利用密度泛函理论（DFT），对铋诱导t-Bi₂WO₆ 到o-Bi₂WO₆相转变发生的可行性进行了推算。研究成果为高效光催化剂的原位制备提供了新的设计途径。

二、 成果简介

近日，渤海大学常春博士联合台湾清华大学吕世源教授（共同通讯作者）采用溶剂热法制备了Bi/t-Bi₂WO₆复合材料，经煅烧使铋诱导t-Bi₂WO₆部分相转变为o-Bi₂WO₆。在模拟太阳光照射下，光催化性能的增强。同质结增强了电荷分离并减少了光生载流子的复合，从而大大提高了光催化活性。通过DFT计算，证明铋诱导t-Bi₂WO₆到o-Bi₂WO₆的相转变过程可行。与普通的t-Bi₂WO₆ 催化剂相比，t/o-Bi₂WO₆同质结催化剂的反应速率常数提高了6.22倍。结合活性物种捕获剂实验与电子自旋共振谱，研究结果表明单线态氧（¹O₂）、空穴（h⁺）、电子（e^-）以及超氧自由基（·O₂^-）是污染物降解的主要活性物质。此外，t/o- Bi₂WO₆ 同质结催化剂在五次循环中表现出优异的稳定性。相关成果以题为“Tetragonal/orthorhombic-bismuth tungstate homojunction formed through in situ bismuth induced phase transformation as highly efficient photocatalyst for pollutant degradation”发表在Journal of Colloid and Interface Science上。

三、图文导读

1、材料表征

图1 样品的X射线衍射图谱（a）； 傅里叶红外光谱（b）；拉曼光谱（c）

图2 样品的高分辨透射电镜（a）；选区电子衍射图谱（b）；热重及差热分析（c）；紫外可见漫反射谱（d）

图3 X射线光电子能谱，Bi 4f（a）；I 3d（b）；O1s（c）

2、DFT计算

图4 t-Bi₂WO₆模型优化示意图

图5 吉布斯自由能与温度的关系曲线

3、光催化降解性能研究

图6 暗反应下的吸附（a）；光反应下的降解（b）；降解动力学拟合（c）；反应速率常数（d）

4、降解机理

图7 光电流（a）；阻抗谱（b）；捕获剂实验（c）；捕获剂实验的反应动力学常数（d）；DMPO-·O₂⁻（e）和DMPO-·OH（f）

图8 莫特肖特基曲线BWO18012（a）；BWO18024-550（b）；光学带隙（c）； BWO18012和BWO18024-550的价带X射线光电子能谱（d）

图9 t-Bi₂WO₆/o-Bi₂WO₆同质结的制备及光催化反应机理示意图

四、小结

在本文中，开发了一种简单、低成本、绿色制备t/o-Bi₂WO₆同质结光催化剂的方法，提高了Bi₂WO₆的光催化效率。在模拟太阳光照射下，研究了光催化降解难降解有机污染物罗丹明B（RhB）的性能。通过原位铋诱导t-Bi₂WO₆到o-Bi₂WO₆的相转变，实现了t/o-Bi₂WO₆同质结的成功制备。同质结的形成增强了光生电荷分离并减少了电子-空穴的复合，从而大大提高了光催化活性。该工作为通过原位形成同质结或异质结光催化剂来开发用于环境与能源领域的高效光催化剂指明了新的方向。该工作得到了兴辽英才计划，辽宁省科技厅，辽宁省教育厅，国家重点实验室开放基金，渤海大学海洋研究院开放基金等项目的共同资助。