扬州大学侯建华&北理工曹传宝：灯笼状碘氧铋基材料展现高效可见光催化性能

【引言】

全球范围内日益严重的环境污染问题已经制约着人类社会的可持续发展。另外，全国生态环境保护大会上总书记指示要坚决打好污染防治攻坚战。光催化技术是一种利用太阳能进行能量转化用于环境净化的绿色高级氧化技术。科学研究者关注的焦点是半导体材料的化学组成和微观结构的调控进而影响材料的氧化能力和物理化学性能，尤其是利用可见光诱导的高效光催化剂（如碘氧化铋）来进行环境净化。

【成果简介】

近期，扬州大学侯建华博士与北京理工大学曹传宝教授（共同通讯作者）报道了嵌入香蒲草碳的灯笼状碘氧化铋材料具有优越的可见光催化性能。在Dalton Transactions上全文发表题为“Lantern-like bismuth oxyiodide embedded typha-based carbon via in situ self-template and ion exchange-recrystallization for high-performance photocatalysis”，并入选内封面论文。研究人员首先在氨气气氛中直接碳化生物质废弃物（枯萎的香蒲草）获得氮掺杂的竹管状碳材料（NTC）。室温搅拌合成的BiOI/NTC作为自我牺牲模板，加入NH₃•H₂O，利用原位离子交换-再结晶机制合成出具有微/纳分级结构的Bi₇O₉I₃/NTC。实验结果显示，在2 h内，Bi₇O₉I₃/NTC能够在可见光下降解93.5%的甲基橙和97.6%的罗丹明B，这展现出比纯BiOI更优越的可见光催化性能。这主要归功于以下特征：
(I) 微/纳分级结构有利于缩短污染物扩散路径；
(II) 入射光在灯笼状结构中可以通过反射作用被高效利用；
(III) 高比表面积为污染物降解提供多的活性位点；
(IV) 超薄纳米片结构可以通过缩短扩散路径减少e^--h⁺对的复合率；(V) NTC作为电子受体可以加快其转移，通过界面作用进一步阻碍通过e^--h⁺对的复合；
(VI) NTC高的比表面积为表面吸附氧分子提供足够的空间，然后与e⁻反应产生更多•O₂⁻；
(VII) Bi₇O₉I₃中大量的氧空位可以作为电子接收器，增强电荷的传输，抑制e^--h⁺对的复合；(VIII) 低含量的碘元素可提高导/价带的还原/氧化电位，增强氧化还原能力。

因此，此工作研究出一种可控的绿色方法，为设计优化的碘氧化铋基光催化材料提供指导作用，并显示良好的潜力应用于环境修复。

【图文导读】

图1 Bi₇O₉I₃/NTC的合成流程图

图2 BiOI、Bi₇O₉I₃和Bi₇O₉I₃/NTC的XRD图

图3 BiOI、Bi₇O₉I₃和Bi₇O₉I₃/NTC的XPS光谱、氮吸附-脱附等温线和相应的孔隙大小分布图

图4-5 BiOI、Bi₇O₉I₃、NTC和Bi₇O₉I₃/NTC的微观形貌表征

图6 NTC、BiOI、Bi₇O₉I₃和Bi₇O₉I₃/NTC在可见光照射下对甲基橙和罗丹明B光催化降解曲线以及对应的动力学研究

图7 BiOI、Bi₇O₉I₃和Bi₇O₉I₃/NTC的紫外可见漫反射光谱、带宽分析图、VB XPS谱、光致发光光谱以及Bi₇O₉I₃/NTC光催化反应机理

【小结】

该工作报道了利用一种绿色、简易、快速的原位离子交换-再结晶机制，成功制备出具有微/纳分级结构的Bi₇O₉I₃/NTC材料。其中，由相互连接的超薄纳米薄片组成的灯笼状Bi₇O₉I₃牢固地嵌入NTC的“竹管”中，赋予其充分的界面和较高的比表面积。灯笼状结构、低碘含量和良好接触界面等的多重协同效应使Bi₇O₉I₃/NTC材料表现出高效的可见光催化活性，优于其他报道的碘氧化铋基材料性能。本作品可为设计优化的碘氧化铋基光催化材料提供指导作用，并在水环境修复方面具有很大的应用潜力。

文章链接:
Lantern-like bismuth oxyiodide embedded typha-based carbon via in situ self-template and ion exchange-recrystallization for high-performance photocatalysis (Dalton Trans., 2018, 47, 6692-6701, DOI: 10.1039/c8dt00570b)。

本文由侯建华老师团队供稿。

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