通过氧空位工程增强Bi2 O3 -ZnO半导体双层结构的光电化学电极性能

本研究针对Bi2 O3 和ZnO半导体材料在光电化学（PEC）应用中电荷复合率高、光吸收受限的问题，通过水热法和溅射技术构建了具有氧空位的Bi2 O3 /ZnO异质结构。结果表明，氧空位和Z型电荷转移机制协同提升了材料的光电流密度（达0.046 mA/cm2 ）和RhB降解效率（97%/60分钟），为设计高效PEC电极提供了新思路。

　　

在可再生能源和环境污染治理领域，半导体材料的光电化学（PEC）性能优化一直是研究热点。然而，传统半导体如三氧化二铋（Bi₂
O₃
）和氧化锌（ZnO）面临两大瓶颈：一是光生电子-空穴对复合率高，二是可见光吸收范围有限。这些问题严重制约了其在光催化降解污染物和太阳能转换中的应用效率。针对这一挑战，中国的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表了一项创新研究，通过精准调控材料缺陷结构和界面工程，实现了PEC性能的突破性提升。

研究采用水热法合成片状三角形β-Bi₂
O₃
，并通过氢气氛退火引入氧空位；同时利用高温溅射制备ZnO薄膜以增强缺陷浓度。通过X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）表征能带结构，结合光电化学测试和罗丹明B（RhB）降解实验评估性能。

3. 结果与讨论
3.1 材料表征
XRD和TEM证实了β-Bi₂
O₃
与ZnO的成功复合，HR-TEM显示0.26 nm晶格条纹对应ZnO的（002）晶面。XPS分析表明，氢退火使Bi₂
O₃
的氧空位含量从20%提升至40%，溅射温度升高使ZnO氧空位增加至35%。

3.2 光学性能
UV-Vis显示氧空位导致吸收边红移：Bi₂
O₃
带隙从2.39 eV降至1.95 eV，ZnO从3.3 eV降至3.24 eV。Urbach能量分析证实缺陷密度增加，B250Z200复合材料的带隙为2.25 eV（Bi₂
O₃
）和2.93 eV（ZnO）。

3.3 光电化学性能
B250Z200的光电流密度达0.046 mA/cm²
，是纯Bi₂
O₃
的8倍。电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻（Rct）最低（4245 Ω），表明氧空位和异质结协同促进了电荷分离。

3.4 光催化机制
自由基捕获实验证实·O₂
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是降解RhB的主要活性物质（效率下降50.7%），UPS能带分析揭示了Z型电荷转移路径：光生电子富集于Bi₂
O₃
导带（-3.67 eV），空穴聚集于ZnO价带（-7.44 eV）。

这项研究创新性地通过氧空位工程和异质结构设计，解决了宽禁带半导体材料的光吸收和电荷分离难题。B250Z200复合材料在PEC和光催化应用中展现出97%的RhB降解效率和0.076 min^?1
的反应速率常数，其性能提升源于三方面：（1）氧空位作为电子陷阱抑制复合；（2）Z型机制保留强氧化还原能力；（3）异质界面电场加速电荷迁移。该工作为开发高效环境修复材料和光电器件提供了理论指导与技术范例。