尿素-蔗渣共热解衍生Bi2S3/HNC/WO3 S型异质结用于可见光下气相异丙醇高效光降解

《Separation and Purification Technology》：Bi 2S 3/HNC/WO 3 S-scheme heterojunctions derived from urea-bagasse co-pyrolysis for gas-phase isopropanol Photodegradation under visible light

本文报道了一种新型Bi2S3/HNC/WO3 S型异质结光催化剂（HNC由尿素与蔗渣共热解制得）。该三元体系通过水热合成与煅烧工艺构建，结合XPS、UPS、UV-vis DRS、TR-PL、原位ESR与可见光辐照XPS等技术阐明了其构效关系。HNC中间层作为电子桥增强电荷分离，其介孔结构促进反应物吸附，氧空位（OVs）激活分子氧（O2），共同实现气相异丙醇（IPA）95.54%的可见光降解率，速率常数较二元体系（Bi2S3/WO3）提升51倍，且稳定性优异。该工作为太阳能驱动环境净化提供了高效稳定的催化剂设计策略。

　　

亮点

催化剂表征

扫描电子显微镜（SEM）表征揭示了合成材料独特的形貌特征。WO₃呈现出明确的纳米片结构（图2a），而Bi₂S₃/HNC/WO₃复合材料则显示出棒状的Bi₂S₃颗粒均匀分散在HNC包覆的WO₃纳米片上（图2b和c）。能量色散X射线光谱（EDS）元素 mapping 证实了Bi、S、W、O、C和N元素在复合结构中的均匀分布（图2d-i），表明成功构建了三元异质结。

结论

本研究通过引入氮掺杂碳（HNC）作为界面，构建了Bi₂S₃/HNC/WO₃ S型异质结光催化剂。研究发现HNC作为多功能界面层起着关键作用。首先，HNC中氮掺杂形成的石墨化结构可作为高效的电子桥梁，有效促进WO₃和Bi₂S₃之间的界面电荷转移，并显著抑制光生载流子的复合。其次，HNC丰富的介孔结构提供了巨大的比表面积和大量的活性位点，显著增强了反应物（如异丙醇分子和O₂）的吸附能力。第三，HNC中存在的氧空位（OVs）能够有效捕获和激活O₂分子，生成超氧自由基（·O₂^?）等活性氧物种（ROS），从而主导氧化降解路径。得益于这些协同效应，优化的Bi₂S₃/HNC/WO₃催化剂在可见光下对气相异丙醇表现出高达95.54%的降解率，其反应速率常数是二元Bi₂S₃/WO₃体系的51倍，并且具有良好的循环稳定性。该催化剂对乙醇、四氢呋喃等其他挥发性有机化合物（VOCs）也表现出高效的降解性能（>90%）。机理上，S型异质结驱动了高能电子和空穴的空间分离，而·O₂^?和·OH自由基的协同作用主导了氧化途径。这项工作为太阳能驱动的环境净化提供了一种高效稳定的光催化剂设计策略。