综述：木质纤维素改性的铋基半导体在光催化中的应用：策略与进展

《Industrial Crops and Products》：Lignocellulose-modified bismuth-based semiconductors for photocatalysis: Strategies and applications

光催化材料领域，木质纤维素通过双重机制（结构支架+多功能改性剂）显著提升铋基半导体（如BiVO?、Bi?WO?等）的光电催化性能。研究证实，木质纤维素通过其三维纤维网络和丰富官能团，不仅促进半导体均匀分散、增强光吸收（可见光响应范围拓宽达3倍），还能通过氢键和化学配位稳定半导体晶格，抑制电荷复合。碳化处理后的木质纤维素（含氧空位和石墨化碳）作为载体或掺杂剂，可进一步优化能带结构（带隙缩小0.1-0.3eV）和电荷迁移路径，在有机染料（RhB降解率>95%）、抗生素（TC降解率>90%）及重金属（Cr(VI)还原率>98%）降解中表现卓越。该技术兼具环境友好性和规模化潜力，但需突破海水电催化、机理原位表征等瓶颈。

　　### 解读：基于木质纤维素的半导体材料改性研究

在当今全球能源需求不断上升和环境污染日益严重的背景下，寻找可持续的能源生产方式和环境修复技术已成为迫切需求。半导体光催化技术作为一种利用太阳能驱动反应（如氢气生成、二氧化碳还原和污染物降解）的高效手段，正逐步成为研究热点。然而，传统的半导体材料，如二氧化钛（TiO?）和氧化锌（ZnO），通常对紫外光响应，限制了其在实际应用中的效率。因此，近年来，研究者们将目光转向了基于铋（Bi）的半导体材料，这些材料因其独特的电子结构、可见光响应性以及良好的环境兼容性而备受关注。同时，由于其层状晶体结构，这些材料在光生载流子分离方面表现出优异的性能。

尽管铋基半导体在光催化领域展现出巨大潜力，但其在实际应用中仍面临一些关键挑战。例如，光生电子-空穴对的快速复合以及表面反应动力学的局限性，这些因素显著降低了其催化效率。为了克服这些问题，研究者们提出了多种改进策略，包括异质结构建、元素掺杂和缺陷工程等。这些方法在一定程度上提升了铋基半导体的性能，但合成过程较为复杂，限制了其大规模应用的可能性。

在这种背景下，木质纤维素作为一种天然、可再生的生物聚合物，展现出独特的结构和功能特性，为铋基半导体的改性提供了新的思路。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构成，其多尺度结构使其在光催化材料的制备中具有不可忽视的优势。首先，木质纤维素的天然多孔性和丰富的极性官能团，使其能够作为结构支架和多功能修饰剂，赋予半导体材料良好的亲水性、高分散性和易回收性，同时实现可控的形态转变。其次，经过碳化处理后，木质纤维素衍生的碳材料能够显著增强半导体的光吸收能力并促进电荷载体的高效传输，从而提升其光催化性能。

木质纤维素在光催化领域的应用主要体现在两个方面：一是作为结构支架，二是作为功能性添加剂。在结构支架的应用中，研究者们利用纤维素的三维纤维网络结构和丰富的表面官能团，为半导体材料提供了一个理想的生长平台。例如，通过原位合成方法，将BiOCl纳米颗粒锚定在棉纤维上，不仅提高了催化剂的分散性，还增强了其可回收性。这种结构支架的应用在光催化降解有机染料、抗生素和重金属离子方面取得了显著成效。

在功能性添加剂的应用中，木质纤维素的多孔结构和丰富的官能团为半导体材料提供了良好的界面相互作用，从而提升其光催化性能。例如，通过引入木质素的表面官能团，可以有效调节半导体材料的电子结构，增强其可见光响应能力。此外，木质纤维素的碳化产物作为电子传输介质，能够促进光生电子-空穴对的分离和迁移，从而显著提高光催化效率。这些研究不仅展示了木质纤维素在光催化材料改性中的多功能性，还为实现可持续的能源和环境技术提供了新的方向。

### 木质纤维素改性铋基半导体的优势

木质纤维素作为改性材料，具有以下几个显著优势。首先，其天然的三维纤维网络结构能够提供高比表面积和多孔支持框架，这对于光催化反应的进行至关重要。这种结构不仅有助于提高半导体材料的分散性和稳定性，还能促进反应物的吸附和传输。其次，木质纤维素表面的高密度极性官能团（如羟基、羧基和醚键）能够调节材料的亲水性，提高其与水的相互作用能力，从而增强光催化反应的效率。此外，木质纤维素的碳化产物具有优异的导电性和光吸收能力，能够作为电子传输介质，有效分离和迁移光生电子-空穴对，进一步提升光催化性能。

在实际应用中，木质纤维素改性的铋基半导体材料被广泛用于污染物的降解和能源的转化。例如，将BiOBr纳米颗粒负载在纤维素海绵上，不仅提高了其对有机污染物的吸附能力，还增强了其光催化降解效率。此外，通过将BiOBr纳米颗粒与木质素结合，可以进一步调节其电子结构，提高其可见光响应能力。这些研究表明，木质纤维素及其衍生材料在光催化领域具有广阔的应用前景。

### 木质纤维素衍生碳材料的改性策略

木质纤维素衍生的碳材料是另一种重要的改性手段。这些碳材料通常通过高温碳化或水热处理制备，保留了木质纤维素的表面官能团和孔隙结构，同时增强了其导电性和光吸收能力。当这些碳材料与铋基半导体结合时，能够显著提升其光催化性能。例如，将氮掺杂的木质素碳量子点（N-CQDs）与Bi?WO?结合，能够有效促进电子-空穴对的分离，提高其对有机污染物的降解效率。此外，通过引入氧空位，可以进一步优化半导体材料的能带结构，提高其可见光响应能力。

木质纤维素衍生的碳材料还能够作为结构支架，为半导体材料提供良好的支撑和分散平台。例如，将Bi?WO?纳米片负载在木质纤维素衍生的生物炭上，不仅提高了其比表面积，还增强了其对污染物的吸附能力。这些研究表明，木质纤维素衍生的碳材料在光催化领域具有重要的应用价值。

### 木质纤维素在光催化材料中的应用前景

木质纤维素及其衍生材料在光催化领域的应用前景广阔。一方面，其天然的结构和官能团能够作为结构支架，为半导体材料提供良好的支撑和分散平台，从而提升其光催化性能。另一方面，其碳化产物能够作为电子传输介质，促进光生电子-空穴对的分离和迁移，显著提高其光催化效率。此外，木质纤维素的多孔结构和丰富的表面官能团还能增强其对污染物的吸附能力，进一步优化光催化反应的进行。

未来，研究者们应进一步探索木质纤维素在光催化材料中的应用潜力。例如，研究半纤维素及其衍生碳材料在光催化中的作用，以实现木质纤维素各组分的高效利用。此外，结合多种改性策略，如异质结构建和元素掺杂，可能带来突破性的进展。同时，应加强表面修饰（如掺杂或缺陷引入）的可控性，利用先进的表征技术，如原位X射线吸收精细结构，深入理解并调控原子协调环境，从而实现更高效的材料改性。

在实际应用中，木质纤维素改性的光催化材料不仅适用于水处理，还应拓展至气态污染物的治理。因此，未来的研究应关注气态污染物的降解，以实现更全面的环境修复。此外，为了推动这些材料在工业中的应用，还需加强其长期稳定性和可回收性方面的研究，以确保其在实际操作条件下的可靠性和经济性。

综上所述，木质纤维素及其衍生材料在光催化领域的应用具有重要的科学意义和工程价值。通过合理利用其结构和功能特性，可以有效提升铋基半导体的光催化性能，为可持续的能源和环境技术提供新的解决方案。未来的研究应继续深入探索木质纤维素在光催化材料中的潜力，推动其在实际应用中的转化和推广。