通过水热法将 Bi?S?-SnS? 纳米颗粒沉积在 TiO? 纳米管阵列上，用于制备多功能光电电极

《Journal of Water Process Engineering》：Bi 2S 3-SnS 2 nanoparticles hydrothermally deposited on TiO 2 nanotube arrays for multipurpose photoelectrodes

该研究通过一锅水热法在TiO2纳米管阵列表面同时沉积Bi2S3和SnS2纳米颗粒，制备出三元复合光电极。实验表明，该电极在光催化降解RhB（65.68%）和MB（100%）及Cr(VI)还原（95.07%）方面表现优异，光电流密度达43.30μA/cm2，光电压-0.12V，析氢速率119.51μmol·cm?2·h?1，且具有高循环稳定性。该材料通过拓宽可见光响应范围（至近红外）和抑制载流子复合，实现环境修复与绿色能源协同转化，为工业废水处理提供了新策略。

　　在当今社会，随着工业化和城市化的快速发展，环境污染和传统能源短缺问题日益突出。这些挑战不仅影响了生态环境的健康，也对人类的生活质量构成了严重威胁。面对这一局面，开发能够同时解决污染物去除与绿色能源生产问题的多功能材料成为研究的热点。本文提出了一种新型的三元光电极，通过将Bi?S?和SnS?纳米颗粒协同集成于TiO?纳米管阵列（TiO? NTs）上，实现了对污染物的高效降解和清洁能源的生成。该研究不仅为设计高性能的复合光电催化剂提供了可行的策略，也为工业废水处理和绿色能源开发的实际应用铺平了道路，推动了环境和能源问题的可持续解决方案。

为了应对日益严重的环境问题，科学家们不断探索新的材料和技术。传统的污水处理方法如吸附、电催化、臭氧处理和微生物降解等，虽然在一定程度上能够改善水质，但在面对复杂结构和高稳定性的有机染料分子时，往往难以达到理想的去除效果。此外，这些方法在某些情况下可能需要较高的成本或复杂的操作流程，限制了其大规模应用。因此，寻找一种低成本、高效能、且能够同时解决环境和能源问题的材料成为迫切需求。

半导体光催化技术因其对太阳能的高效利用、环境友好性和高反应效率而受到广泛关注。TiO?作为最常用的半导体材料之一，因其高稳定性、强氧化能力和无毒特性而备受青睐。然而，TiO?的光响应范围主要集中在紫外区，这限制了其在可见光下的应用。为了解决这一问题，研究人员尝试通过构建异质结来拓宽其光响应范围。异质结的引入不仅能够增强光吸收能力，还能通过内置电场促进光生电子与空穴的有效分离，从而提高光催化效率。同时，通过在TiO? NTs表面沉积其他半导体材料，如Bi?S?和SnS?，可以进一步优化其光电性能。

Bi?S?和SnS?因其低环境毒性、简单的制备工艺以及优异的化学稳定性，被广泛应用于太阳能电池、光催化剂和气体传感器等领域。Bi?S?具有可见光响应能力，其光响应范围可延伸至近红外区域，而SnS?则在400–600 nm的可见光范围内表现出强烈的吸收能力。这两者的结合能够显著拓宽TiO?的光响应范围，从而提高其在可见光下的催化活性。此外，Bi?S?和SnS?丰富的表面活性位点以及与TiO?之间的强界面相互作用，有助于抑制光生载流子的复合，促进电荷的转移，进而提升光催化性能。

本研究采用了一种一步法的水热沉积技术，成功地在TiO? NTs表面同时沉积了Bi?S?和SnS?纳米颗粒。这种方法不仅简化了制备流程，还保证了纳米颗粒的均匀分布和良好的界面接触。通过对比实验，研究人员对Bi?S?/TiO? NTs、SnS?/TiO? NTs以及纯TiO? NTs的光电性能进行了分析，进一步验证了三元复合材料的优势。结果表明，三元Bi?S?/SnS?/TiO? NTs光电极在污染物去除和绿色能源生成方面表现出卓越的性能。

在污染物去除方面，三元光电极对RhB和MB染料的降解效率分别达到了65.68%和100%，对Cr(VI)的还原效率高达95.07%。这些数据表明，该材料在处理复杂污染物方面具有显著的优势。在能源转换方面，三元光电极在可见光驱动下的光电流密度达到了43.30 μA/cm2，光电压为?0.12 V，氢气生成速率为119.51 μmol·cm?2·h?1。同时，该材料在循环操作中表现出优异的光稳定性，说明其在实际应用中具有良好的耐久性。

研究还发现，Bi?S?和SnS?的协同作用是实现高性能的关键因素。Bi?S?的可见光响应能力与SnS?的强可见光吸收特性相结合，使得三元复合材料能够更有效地利用太阳光。此外，Bi?S?和SnS?丰富的表面活性位点与TiO?之间的强界面相互作用，有效抑制了光生载流子的复合，促进了电荷的快速转移。这些特性共同作用，使得三元光电极在污染物去除和能源生产方面均表现出色。

在材料制备方面，研究团队采用了TiO? NTs作为基底，通过一步水热沉积法实现了Bi?S?和SnS?纳米颗粒的均匀沉积。这种方法不仅操作简便，还能够在短时间内完成材料的合成，提高了生产效率。同时，通过调控沉积条件，研究人员能够精确控制纳米颗粒的尺寸和分布，从而优化其光电性能。这一过程的关键在于选择合适的前驱体和反应条件，以确保Bi?S?和SnS?纳米颗粒能够在TiO? NTs表面形成稳定的结构。

为了进一步验证三元光电极的性能，研究团队对其表面形貌和微观结构进行了详细分析。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，TiO? NTs表面均匀分布着Bi?S?和SnS?纳米颗粒，形成了独特的复合结构。这种结构不仅增加了材料的比表面积，还提供了更多的活性位点，有利于污染物的吸附和反应。此外，X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段进一步确认了Bi?S?和SnS?的成功沉积以及它们与TiO?之间的界面相互作用。

在实际应用方面，三元Bi?S?/SnS?/TiO? NTs光电极具有广阔的发展前景。它不仅可以用于工业废水的处理，还能在绿色能源生产领域发挥作用。特别是在处理含有多种污染物的复杂废水时，这种复合材料的多功能性显得尤为重要。此外，其优异的光稳定性和高效的能源转换能力，使得该材料在实际工程应用中具有较高的可行性。

本研究的成果为设计和制备高性能的复合光电催化剂提供了新的思路。通过合理选择和组合不同半导体材料，可以充分发挥各自的优势，实现对环境和能源问题的协同解决。此外，该研究还展示了水热沉积法在制备复合材料方面的潜力，为后续的材料优化和工程应用提供了基础。未来，研究团队将继续探索如何进一步提高该材料的性能，并推动其在实际环境治理和能源开发中的应用。

为了确保实验的准确性和可重复性，研究团队对所使用的试剂和材料进行了严格的质量控制。所有试剂均为分析纯，未经进一步纯化即可使用。TiO? NTs的制备过程包括钛箔的阳极氧化处理，以形成具有高度有序结构的纳米管阵列。Bi(NO?)?·5H?O、SnCl?、硫脲等前驱体在制备过程中被精确控制，以确保Bi?S?和SnS?纳米颗粒的均匀沉积。此外，实验过程中使用的HNO?、乙醇和去离子水均符合实验要求，保证了材料的纯净度和性能的稳定性。

在实验设计方面，研究团队对不同类型的光电极进行了系统的性能对比。通过分别测试Bi?S?/TiO? NTs、SnS?/TiO? NTs和纯TiO? NTs的光电性能，研究人员能够明确三元复合材料的优势所在。这种对比方法不仅有助于理解各组分对整体性能的贡献，还能为后续的材料优化提供指导。例如，Bi?S?和SnS?的协同作用如何影响光生载流子的分离和迁移，以及它们如何共同提升材料的光催化效率。

此外，研究团队还对三元光电极在可见光下的响应特性进行了深入分析。通过光电流密度、光电压和氢气生成速率等参数的测试，研究人员能够全面评估该材料在能源转换方面的性能。同时，通过光稳定性测试，研究人员验证了该材料在长时间循环操作中的可靠性，这对于实际应用具有重要意义。实验结果表明，三元光电极在可见光驱动下能够保持稳定的光电性能，这为其在工业废水处理和绿色能源生产中的应用提供了有力支持。

从研究的意义来看，三元Bi?S?/SnS?/TiO? NTs光电极的开发不仅推动了光催化材料的研究进展，也为解决环境和能源问题提供了新的思路。该材料的多功能性使其能够在多个领域中发挥作用，例如工业废水处理、太阳能燃料制备和污染物去除等。同时，其低成本、高效能和环境友好性，使得该材料在实际应用中具有较高的可行性。

研究团队在实验过程中还关注了材料的可持续性和环境友好性。Bi?S?和SnS?的低环境毒性以及TiO?的无毒特性，使得该材料在使用过程中对环境的影响较小。此外，水热沉积法作为一种绿色合成方法，避免了高温高压等苛刻条件，降低了能源消耗和污染排放。这些特点使得该材料在环境治理和能源开发中具有显著的优势。

综上所述，本研究成功开发了一种三元Bi?S?/SnS?/TiO? NTs光电极，该材料在污染物去除和绿色能源生成方面表现出卓越的性能。通过合理的材料设计和制备方法，研究人员实现了对光生载流子的有效分离和迁移，从而提升了材料的光催化效率。未来，随着对材料性能的进一步优化和实际应用的深入探索，这种多功能光电极有望在环境治理和能源开发领域发挥更大的作用，为实现可持续发展目标提供有力支持。