利用铋钛酸盐（Bi?Ti?O??/Bi?Ti?O??）异质结增强可见光驱动的光催化作用

《Environmental Research》：Boosting Visible Light-Driven Photocatalysis with Bismuth Titanate (Bi 2Ti 4O 11/Bi 4Ti 3O 12) Heterojunctions

Bi2Ti4O11/Bi4Ti3O12异质结通过高能球磨和固相反应合成，XRD和拉曼光谱确认纯相形成。可见光下25/75比例异质结4小时实现罗丹明B完全降解（>100%），优于单一组分（Bi2Ti4O11:40%, Bi4Ti3O12:63%）。在含NaCl的模拟废水中pH3条件下60分钟降解达99%，优于去离子水（58%）。与Degussa P25相比，异质结30分钟完全沉降并循环6次活性无衰减。该材料兼具高效可见光响应和稳定可回收特性，适用于太阳能驱动水处理。

　　近年来，随着人们对可持续环境修复技术的需求不断增长，研究人员对能够利用太阳能降解污染物的先进光催化材料展开了深入探索。在众多半导体光催化剂中，基于铋的化合物因其独特的电子结构、可见光响应性和多功能特性而成为极具潜力的研究对象。其中，铋钛酸盐（Bismuth Titanates, BTOs）因其在光催化活性以及某些化合物中表现出的铁电/压电性能而受到广泛关注。尽管已有大量研究关注Bi?Ti?O??、Bi?Ti?O?、Bi??TiO??和Bi??TiO??等铋钛酸盐在环境修复中的应用，但Bi?Ti?O??的研究仍相对较少，且其在光催化方面的应用尚未得到充分探索。此外，关于Bi?Ti?O??与Bi?Ti?O??异质结的系统研究也较为缺乏，尽管这些异质结可能因良好的能带匹配和界面耦合而展现出协同效应。

Bi?Ti?O??是一种在233°C以上具有单斜α-Bi?Ti?O??晶体结构的化合物，其属于C2/c空间群，具有特定的晶格参数。该材料在可见光驱动下表现出优异的光催化性能，尤其是在水氧化过程中作为高效的光电极使用。然而，其实际应用仍面临一些挑战，例如合成条件对材料性能的影响较大，不同的制备方法可能导致不同的能带结构和晶相组成，从而影响其光催化效率。Bi?Ti?O??的能带间隙通常较高，约为3.1 eV，这使得其在可见光区域的响应能力相对较弱。相比之下，Bi?Ti?O??作为最广泛研究的铋钛酸盐之一，因其良好的物理化学性质和能带结构而展现出更高的光催化活性，尤其是在有机污染物降解、氢气生成和二氧化碳还原等方面。

为了弥补这一研究空白，本研究首次系统地探讨了Bi?Ti?O??/Bi?Ti?O??（简称B2/B4）异质结在光催化应用中的潜力。通过结合机械活化（球磨）和固态反应的方法，成功合成了不同重量比例（0/100、25/75、50/50、75/25、100/0）的B2/B4异质结。XRD和拉曼光谱分析结果确认了这些异质结中形成了纯相的Bi?Ti?O??和Bi?Ti?O??。通过在人工可见光（由35 W氙灯提供，波长范围为36000 lux，强度为250 W/m2）和自然阳光（强度范围为450–550 W/m2）下对合成的异质结进行光催化活性测试，发现B2/B4-25/75异质结表现出最佳的降解性能，能在4小时内实现Rhodamine B（RhB）的100%降解，远超单独的Bi?Ti?O??（40%）和Bi?Ti?O??（63%）的降解效率。此外，在自然阳光照射下，该异质结同样表现出接近100%的降解效率，表明其对太阳光具有良好的响应能力。

为了进一步探究光催化过程的机制，采用电子自旋共振（EPR）分析和自由基清除实验，确认了光催化过程主要依赖于h?（空穴）和O?•?（超氧自由基）的氧化作用。同时，研究发现，在模拟真实废水条件（如添加NaCl）和酸性pH（pH 3）环境下，B2/B4异质结的光催化活性显著提升，60分钟内即可实现99%的RhB降解效率，而相比之下，在去离子水中仅达到58%。这一结果表明，B2/B4异质结在复杂环境条件下仍能保持高效的光催化性能，具有广阔的应用前景。

此外，与常见的Degussa P25光催化剂相比，B2/B4异质结表现出更优越的可回收性和稳定性。Degussa P25在30分钟内即可实现污染物的完全降解，但其在降解后仍悬浮在溶液中，难以回收再利用。而B2/B4异质结在30分钟内即可完全沉降，使得其在六次连续循环中仍能保持稳定的活性，无需额外的处理即可实现高效利用。这种特性对于实际应用中的光催化剂回收和重复使用至关重要，因为大多数光催化剂在使用后需要复杂的分离和再生步骤，这不仅增加了成本，还可能影响其环境友好性。

本研究还探讨了B2/B4异质结的结构和性能之间的关系。Bi?Ti?O??与Bi?Ti?O??的能带结构差异是其光催化性能提升的关键因素。Bi?Ti?O??作为n型半导体，其能带间隙较高，而Bi?Ti?O??的能带间隙相对较低，这使得两者在光催化过程中能够形成有效的电荷分离和转移机制。通过构建异质结，可以进一步优化能带匹配，提高光生载流子的迁移效率，从而增强光催化反应的效率。例如，在可见光照射下，Bi?Ti?O??/Bi?Ti?O??异质结能够通过高效的界面电荷转移实现更显著的污染物降解，而单独使用这两种材料时则表现出较低的效率。

在实际应用中，光催化剂的稳定性是一个重要的考量因素。Bi?Ti?O??在某些研究中表现出良好的稳定性，例如在可见光照射下，其纳米棒结构能够在五次降解循环中保持较高的活性。然而，其在不同合成条件下可能会形成不同的晶相，从而影响其性能。Bi?Ti?O??在溶胶-凝胶法合成的薄膜中，只有在600–700°C以上才能形成稳定的单斜结构，而在较低温度下则保持无定形态。这表明，Bi?Ti?O??的性能高度依赖于其合成过程和最终的晶相组成。相比之下，Bi?Ti?O??在多种合成条件下都能保持较高的光催化活性，这使其成为更稳定的光催化剂选择。

本研究通过实验方法确认了B2/B4异质结的优异性能，并对其在不同环境条件下的表现进行了详细分析。实验结果表明，该异质结不仅在可见光和自然阳光下表现出高效的污染物降解能力，而且在模拟废水条件和酸性环境中也展现出良好的适应性。这为BTO异质结在实际水处理中的应用提供了重要依据。此外，研究还发现，B2/B4异质结在多次循环使用后仍能保持稳定的活性，这表明其具有良好的可重复利用性，符合绿色化学和可持续发展的理念。

从更广泛的角度来看，Bi?Ti?O??/Bi?Ti?O??异质结的开发不仅有助于提高光催化效率，还可能推动新型光催化剂的设计思路。当前，许多研究集中在构建具有更宽能带间隙的异质结，以提高对可见光的响应能力。然而，Bi?Ti?O??/Bi?Ti?O??异质结的能带结构差异可能使其在特定波长范围内表现出更高效的光催化性能。此外，该异质结的界面耦合机制可能进一步促进电荷分离和迁移，从而提高反应效率。这些特性使得B2/B4异质结成为一种极具潜力的光催化剂，尤其适用于需要高效降解能力和稳定性的水处理场景。

综上所述，Bi?Ti?O??/Bi?Ti?O??异质结在光催化应用中展现出显著的优势，包括高效的污染物降解能力、良好的太阳光响应性、优异的可回收性和稳定性。这些特性不仅为BTO异质结在环境修复领域的应用提供了理论支持，也为未来光催化剂的设计和优化提供了新的方向。通过深入研究这些材料的结构、性能和应用潜力，有望推动更高效、更环保的水处理技术的发展，满足日益增长的环境治理需求。