山东大学何作利课题组JMST:碱式硝酸铋/钨酸铋S型异质结促进电荷分离,实现加速光催化磺胺嘧啶的降解
第一作者:陈文涵
通讯作者:何作利 研究员
通讯单位:山东大学环境科学与工程学院
DOI:10.1016/j.jmst.2023.07.012
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具有显著的氧化能力和载流子高效分离能力的S型异质结引起了越来越多的关注。在本研究中,采用甘油辅助一步水热法,成功地合成了碱式硝酸铋(BBN)/铋钨酸(BWO)S型异质结光催化剂。BBN / BWO异质结光催化剂表现出较好的光催化性能。最优产品在1小时内实现了磺胺嘧啶(SMZ)的有效去除,其动力学常数(k)值为0.05818 min-1。超氧自由基和光生空穴为降解的主要活性物种。为了确定SMZ存在的降解途径,进行了液相色谱-质谱分析(LC-MS)分析,揭示了中间产物及毒性的下降趋势。增强的光催化活性可以被归因为BBN和BWO之间的S型异质结的内建电场(IEF),其有效地促进了光电载流子的分离。本研究提出了一种可行的BBN/BWO S型异质结构筑方式并为SMZ的降解提供了一种可行思路。
图文摘要
引言
在这项研究中,我们成功地利用一步甘油辅助水热法合成了BBN / BWO异质结。与纯BWO相比,S型异质结对SMZ具有更加显著的光降解性能。BBN/BWO-0.6的降解率最高,1小时内可去除97%的SMZ。尽管特定离子(如Cl−)对光催化过程有抑制作用,但复合材料仍保持良好的光催化活性。通过对SMZ降解途径的研究,确定了8种可能的产物。通过猝灭实验和EPR分析,证实了活性物质中有重要的活性物质(·O2−,h+)。观察到的增强的光催化活性可归因于BBN和BWO之间S-scheme异质结的内建电场,其显著促进了光生载流子的分离。此外,本工作还详探究了实验条件对SMZ降解的影响,研究了SMZ在不同pH和污染物浓度条件下的光催化效率。本研究结果将为s型光催化剂的制备和SMZ的光降解提供有价值的见解,并为该领域的进一步研究提供有益的建议。
图文导读
Fig. 1. XRD patterns of the obtained samples: (a) BWO, BBN, BBN/BWO-0.4, BBN/BWO-0.6 and BBN/BWO-0.8; (b) different BBN/BWO samples.
Fig. 2. SEM images of the as-prepared samples: (a, b) BWO, (c, d) BBN, (e, f) BBN/BWO-0.6.
Fig. 3. High-resolution XPS spectra peaks: (a) Bi 4f of BWO, (b) Bi 4f of BBN/BWO-0.6, (c) W 4f of BWO, (d) W 4f of BBN/BWO-0.6, (e) O 1s of BWO, (f) O 1s of BBN/BWO-0.6.
Fig. 4. (a–c) TEM, (d, e) HRTEM and related reduced FFT and (f) element mapping images of BBN/BWO-0.6.
Fig. 5. (a) Typical N2 adsorption–desorption isotherms, (b) multi-point specific surface areas, (c) pore size distributions, (d) mesoporous distributions of the obtained samples
Fig. 6. (a) UV–vis diffuse reflectance spectra of BBN, BWO and BBN/BWO-0.6, (b) band gaps of BBN and BWO.
Fig. 7. (a) SMZ photocatalytic degradation curves and (b) related kinetic curves of SMZ degradation in the presence of the obtained samples.
Fig. 8. (a) Photodegradation curves under different SMZ concentrations, (b) photodegradation curves under different pH, (c) photodegradation curves under visible light, (d) photodegradation curves with different co-existing ions.
Fig. 9. Stability of BBN/BWO-0.6 heterojunction in photocatalytic degradation of SMZ during cyclic measurements.
Fig. 10. (a) photocurrent responses, (b) EIS plots of BWO and composites.
Fig. 11. (a) Quenching experiment and (b–d) EPR spectra of BBN/BWO-0.6.
Fig.12. SMZ photocatalytic degradation pathways.
Fig. 13. Toxicity evaluation of intermediates.
Fig. 14. UPS spectra of (a, b) BBN and (c, d) BWO.
Fig. 15. Possible photocatalytic degradation mechanism of BBN/BWO S-scheme heterojunction.
研究意义
本研究采用甘油辅助水热法制备了碱性硝酸铋/钨酸铋 (BBN/BWO) S型异质结光催化剂。与纯BBN和BWO相比,复合材料在降解SMZ方面表现出了显著的光催化性能。其中,BBN/BWO-0.6的降解率最高,1小时内可去除97%的SMZ。通过对SMZ降解途径的研究,确定了8种可能的产物及产无毒性的递减趋势。通过猝灭实验和EPR分析,证实了活性物质中有重要的活性物质(·O2−,h+)。观察到的增强的光催化活性可归因于BBN和BWO之间S型异质结的内建电场,其显著促进了光生载流子的分离。本研究提出了一种有效的制造S型异质结的策略,这将为SMZ光降解的未来研究提供有价值的见解。
文献信息
W. Chen, M. Dai, X. Li, S. Zhao, S. Wang, Z. He, Assembling S-scheme heterojunction between basic bismuth nitrate and bismuth tungstate with promoting charges’ separation for accelerated photocatalytic sulfamethazine degradation, Journal of Materials Science & Technology, 2024.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223006357
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