区域特异性双缺陷工程构建纳米级内建电场增强Bi2W1-xO6-y可见光催化降解盐湖浮选剂性能研究

《Nature Communications》：Region-specific defect engineering of Bi2W1-xO6-γ induces nanoscale electric fields and surface active-sites for enhanced visible-light oxidation of salt-lake flotation agents

本研究针对钾肥工业浮选废水中有毒难降解有机物（如ODA、DMP）的治理难题，通过区域特异性缺陷工程在Bi2WO6中精准构建边缘W空位与中心O空位的空间不对称缺陷构型，形成“缺陷偶极”效应，将内建电场强度提升2.74倍，显著促进电荷分离（效率提升290%）及活性位点暴露。该材料在可见光下2小时内完全降解浮选剂，活性物种（·O2?、1O2、h+）生成量分别提高8.98、5.55和20.02倍，并在实际高盐废水处理中展现优异性能，为缺陷工程调控光催化机制提供了新范式。

　　

随着全球人口增长和粮食安全需求攀升，钾肥生产需求激增，而其主要工艺——泡沫浮选法产生的有机浮选剂（如十八胺ODA和4-十二烷基吗啉DMP）随尾矿废水直排环境，因其惰性、毒性及难生物降解性，对水体、土壤和生态系统构成严重威胁。太阳能驱动的光催化矿化技术被视为可持续治理方案，其中层状铋钨矿（Bi₂WO₆）因其可见光响应、化学稳定性及无毒特性备受关注。然而，原始Bi₂WO₆存在电荷分离效率低、表面活性位点不足及可见光利用有限等瓶颈，制约其实际应用。

为突破传统缺陷工程的局限，马亮、张思远等研究人员在《Nature Communications》发表研究，提出一种区域特异性双缺陷工程策略，通过一步水热法在Bi₂WO₆中精准构建空间分离的W空位（边缘）和O空位（中心），形成不对称缺陷构型，诱导产生协同“缺陷偶极”效应，显著增强材料的光催化性能。

研究通过调控溶剂组成（如乙烯二醇和NaOH）实现缺陷浓度可控合成。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱证实晶体结构保持完整，但缺陷引入导致结晶度下降。透射电镜（TEM）和能量色散谱（EDS）显示W空位富集于纳米片边缘，O空位集中于中心区域，元素分布呈梯度变化。电子顺磁共振（EPR）和X射线光电子能谱（XPS）直接验证了氧空位存在及W价态升高。深度剖面XPS进一步揭示缺陷从表面向体相递减的梯度分布。同步辐射X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）表明缺陷缩短W–O键长，增强原子间相互作用。正电子湮灭寿命谱（PALS）显示双缺陷材料具有更长的平均湮灭寿命，证实空位浓度和体积增加。

光催化性能测试表明，双缺陷材料（BWO-ES）在可见光下2小时内完全降解ODA和DMP，降解速率分别为13.3和14.4 mg·L^?1·h^?1，较原始BWO提升3.6倍。总有机碳（TOC）和氮形态分析证实污染物完全矿化为CO₂和NO₃^?。猝灭实验和EPR检测揭示·O₂^?是主要活性物种，其生成量提升8.98倍。光电化学表征显示BWO-ES具有最强的光电流响应、最低电荷转移电阻（61.81 Ω）和最高载流子浓度（1.2×10²³ cm^?3）。开尔文探针力显微镜（KPFM）和有限元模拟证实缺陷偶极使内建电场强度提升2.74倍，电荷分离效率达67.5%（提升290%）。密度泛函理论（DFT）计算表明双缺陷增强O₂吸附能（提升0.52 eV），促进·O₂^?生成。压电力显微镜（PFM）揭示缺陷偶极导致铁电畴非对称极化，验证内建电场增强机制。

在实际高盐浮选尾矿废水处理中，BWO-ES在模拟太阳光下3小时完全降解污染物，户外自然光下8小时实现完全去除，展现强抗离子干扰能力。该研究通过纳米尺度缺陷空间调控，实现了内建电场与表面活性位点的协同强化，为设计高效光催化剂提供了新思路，对难降解有机废水治理具有重要实践意义。