可见光驱动三氧化二铋基纳米材料的设计与应用：环境修复与能源转换新策略

本综述系统阐述了三氧化二铋（Bi2O3）p型半导体在可见光催化领域的突破性进展。通过调控晶体结构（α/β/γ相）、构建异质结（Z-scheme/S-scheme）及掺杂改性等策略，显著提升光生载流子分离效率，在有机污染物降解（高级氧化过程AOPs）、制氢及抗菌应用方面展现出巨大潜力，为解决环境与能源问题提供新方案。

　　

章节亮点

Bi₂O₃结构

三氧化二铋（Bi₂O₃）是一种多晶型化合物，能够结晶成多种独特结构，每种结构都具有独特的晶体学和物理化学特性。研究最深入的相包括α、β、γ和δ相，其中α-、β-和γ-Bi₂O₃在标准合成条件下经常被报道。图2展示了代表性的Bi₂O₃晶体结构。各种表征技术可以可靠地鉴定每种Bi₂O₃多晶型的存在。α-Bi₂O₃相对应于单斜晶系。

Bi₂O₃纳米结构的合成

多种技术已被用于合成Bi₂O₃。合成路线和条件显著影响最终的晶相、粒径、形貌和功能特性。这些方法允许合成多种Bi₂O₃纳米结构，包括纳米颗粒（NPs）、纳米棒、纳米线和薄膜。在此背景下，沉淀法是最简单且应用最广泛的方法之一，涉及溶液中两种组分的化学反应。

Bi₂O₃的掺杂

用金属或非金属原子掺杂Bi₂O₃可以改变其带隙（E_g），将其光学响应转移到可见光区域。这种方法增强了界面电荷转移并最小化了复合。这是因为掺杂原子取代了Bi₂O₃晶格中的Bi³⁺离子，导致形成能级，从而增强可见光吸收并提高光催化活性。本节总结了关于Bi₂O₃金属和非金属掺杂的研究。

Bi₂O₃与金属的复合材料

通过负载贵金属来改性半导体以提高其光催化活性已在TiO₂和WO₃等载体中得到广泛研究。与那些金属氧化物半导体相比，Bi₂O₃的应用更为近期。用于此目的的贵金属是Ag、Au、Pt和Pd，如表3所述。将金属负载到半导体表面最常用的方法是将金属氧化物粉末（Bi₂O₃）加入到含有所需金属盐的水溶液中。

基于Bi₂O₃的异质结

铋基异质结在通过光催化进行环境净化方面具有巨大潜力。根据参与半导体之间能带结构的排列，已经设计了几类异质结构，包括Type-I、Type-II、直接Z-scheme、金属介导的Z-scheme和S-scheme材料，以增强Bi₂O₃的光催化活性。异质结已使用如TiO₂、ZnO、Ag₂O、In₂O₃和BaTiO₃等材料构建。

未来展望

基于Bi₂O₃的光催化剂在废水修复方面仍然极具吸引力，但最近的进展表明其在更广泛的环境和技术应用中存在多重扩展机会。

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  增强的动力学建模和机理洞察：未来研究的一个关键领域是为Bi₂O₃光催化剂开发详细的动力学模型和机理研究。理解污染物降解动力学，特别是对于复杂污染物如阿特拉津，对于优化实际应用至关重要。

结论

Bi₂O₃的光催化活性由其多晶型、可调谐的能带结构以及可控的形貌（如纳米颗粒、纳米棒、纳米花和纳米片）驱动。β-Bi₂O₃和α-Bi₂O₃由于其有益的带隙和开放结构而表现出竞争性的性能。形貌增强了活性位点密度，减少了电荷载流子扩散长度，暴露了反应晶面，并改善了固-液界面的传质。

增强Bi₂O₃的光催化性能需要综合策略，包括形貌控制、元素掺杂、贵金属沉积和异质结构建。这些改性旨在提高可见光吸收、促进电荷分离并提高整体稳定性。通过掺杂或复合材料工程调整能带结构，可以定制Bi₂O₃以实现特定的氧化或还原反应，从而拓宽其在环境修复和能源生产中的应用范围。