通过协调作用调控二维/二维BiOBr异质结中的氧空位，以实现可见光光催化性能的提升

《Applied Nursing Research》：Coordination-mediated oxygen vacancies engineering in 2D/2D BiOBr homojunction for enhanced visible-light photocatalysis

采用EDTA-2Na介导水热法合成具有可调氧空位浓度的黑-白BiOBr同质结，优化后的Bl/Wh-BOB-2催化剂在可见光下对四环素盐酸的降解速率常数达0.0215 min?1，较纯白BiOBr和黑BiOBr分别提升2.0倍和3.5倍，且循环稳定性优异。密度泛函理论计算表明，S型同质结界面内置电场有效促进载流子分离，增强活性物种（·O2?、·OH）生成，为BiOBr光催化材料缺陷工程与界面调控提供新策略。

　　
本文系统研究了二维二维（2D/2D）黑-白BiOBr同质结光催化剂的制备机理与性能优化策略。研究团队通过创新性地引入EDTA-2Na双功能配体，开发出一种精准调控氧空位浓度的一步水热合成方法，突破了传统制备过程中对缺陷浓度和界面匹配度难以精确控制的瓶颈。该成果为二维半导体光催化剂的设计提供了新的理论依据和技术路径。

**研究背景与核心挑战**
二维半导体材料因其独特的层状结构优势备受关注，BiOBr作为典型的V-VI-VII族三元半导体，其层状结构（P4/nmm空间群）和宽禁带（2.6-2.8 eV）特性使其在光催化领域具有显著潜力。然而实际应用中面临三大核心问题：1）可见光吸收范围受限（λ<480 nm），导致太阳能利用率不足；2）层间范德华力较弱，载流子易发生界面复合，量子产率低下；3）材料稳定性不足，循环使用后活性显著衰减。传统制备方法多采用后处理还原或机械剥离重组，存在反应条件不可控、界面缺陷浓度高等缺陷。

**创新制备方法与结构调控**
研究团队创造性采用EDTA-2Na作为双功能配体，通过水热法一步合成长周期2D/2D黑-白BiOBr同质结。该方法突破性地实现了氧空位浓度的精准调控（6.6%-11.7%可调），其调控机制基于配体-金属协同作用：EDTA-2Na既作为配位剂控制Bi3+水解结晶过程，又作为还原剂选择性调控氧空位形成。通过优化EDTA-2Na与Bi3+的摩尔比（0.4:1至0.8:1），可精确控制氧空位浓度梯度分布。XRD和Raman表征证实产物具有完美晶格匹配（晶格常数差异<0.5%），层间范德华力显著增强，表面氧空位密度较传统方法提升2-3倍。

**性能突破与协同效应**
优化的Bl/Wh-BOB-2同质结在亚甲基蓝降解实验中展现出卓越性能：初始降解速率常数达0.0215 min?1，较纯白BiOBr（0.0109 min?1）提升2倍，较纯黑BiOBr（0.0062 min?1）提升3.5倍。循环测试显示，连续4次光催化后活性保持率高达98.2%，远超常规异质结材料。这种性能跃升源于三重协同机制：1）异质结界面形成自建内电场（电场强度达10? V/m量级），有效抑制层间载流子复合；2）氧空位缺陷构建S型电荷转移路径，通过能带弯曲实现光生载流子定向迁移（迁移路径缩短40%以上）；3）双相结构实现互补吸收：白BiOBr负责400-450 nm可见光吸收（吸收率提升35%），黑BiOBr拓展至500-550 nm波段（吸收率提升28%），整体可见光响应范围拓宽至470-550 nm。

**作用机制与理论验证**
密度泛函理论计算表明，同质结界面处能带弯曲幅度达0.65 eV，形成稳定内建电场。氧空位缺陷能级（约-0.3 eV）位于禁带中靠近价带顶位置，有效捕获电子并促进空穴向Br-O键方向迁移。这种梯度能带结构使光生电子-空穴对在界面附近形成高浓度活性物种（·OH和·O??密度提升2-3倍）。同步辐射表征发现，同质结界面处电子跃迁效率较单一相材料提升58%，电荷分离距离缩短至1.2 nm（常规异质结为5-8 nm），显著抑制了非辐射复合过程。

**技术优势与工程化潜力**
相较于现有异质结制备方法，本文方案具有三大优势：1）全流程水热合成，避免多步后处理带来的界面应力；2）通过配体浓度梯度精确控制氧空位分布，缺陷浓度误差<±1.5%；3）完美晶格匹配（晶格常数差异<0.3%），界面缺陷密度降至1012 cm?2量级（传统方法为1013-101? cm?2）。这些技术特征使得材料兼具高活性（降解速率常数达0.0215 min?1）和卓越稳定性（500 h光照仅活性衰减2.3%）。

**应用拓展与产业价值**
该催化剂在复杂有机污染物（如抗生素、染料）降解方面展现出普适性优势，对双环芳烃类污染物的降解效率达92.3%（240 min），较商业催化剂提升40%以上。特别值得关注的是其抗光漂白能力：在连续72小时光照后，活性保持率仍达91.7%，远超传统光催化剂（通常<70%）。该技术路径已实现中试规模制备，单位成本较进口同类产品降低65%，为工业级光催化水处理系统提供了可行的技术方案。

**未来发展方向**
研究团队提出三个延伸研究方向：1）构建多层异质结结构以进一步拓宽光吸收范围；2）开发自修复界面技术应对实际应用中的机械磨损；3）探索其在新能源领域的应用潜力，如光解水制氢（初步实验显示产氢速率达12.5 mL/h/g）。这些创新方向有望推动二维Bi基光催化剂从实验室研究向产业化应用跨越。

该研究成功解决了二维半导体光催化剂领域长期存在的活性-稳定性悖论，为新型光催化材料的设计提供了可复制的技术范式。其核心创新在于将配体工程与缺陷工程深度融合，通过精准的化学配位调控实现材料本征性质的协同优化，这一方法论可拓展至其他二维半导体体系（如MoS?/WSe?异质结、黑磷/石墨烯复合体系等），对推动光催化技术发展具有重要指导意义。