可见光驱动的Bi?O?/Co-ZnO催化剂的合成，用于高效降解亚甲蓝

《Catalysis Today》：Synthesis of visible light-driven Bi 2 O 3 /Co-ZnO catalyst for Efficient Degradation of Methylene Blue

甲基橙降解高效催化剂Bi?O?/Co-ZnO的合成与性能研究。采用共沉淀法制备Bi?O?/Co-ZnO异质结，在可见光下120分钟实现100 mg/L甲基橙98.5%降解，较纯ZnO提升显著。EDS证实Bi、Co、Zn元素共存，XRD显示晶体结构完整。动力学分析表明混合级反应特征，催化剂具有良好循环稳定性。该研究为持久性有机污染物治理提供新策略。

　　

穆罕默德·赛义德（Muhammad Saeed）| 穆罕默德·阿迪尔（Muhammad Adeel）| 阿西夫·贾米尔（Asif Jamil）| 谢里什·雷赫马特（Sehrish Rehmat）| 马库斯·维尼修斯·卡斯特尼亚罗（Marcus Vinicius Castegnaro）| 哈姆扎·拉克萨奇（Hamza Laksaci）| 拉格·K·侯赛因（Rageh K. Hussein）

巴基斯坦费萨拉巴德费萨拉巴德政府学院大学化学系

摘要

由于工业废水排放中含有持久性有机污染物（如染料），水污染已成为全球性的严重问题。因此，需要一种可持续的废水处理方案。利用阳光作为能源的光催化技术是处理含有持久性有机污染物的废水的一种有吸引力的方法。本文报道了一种名为Bi₂O₃/Co-ZnO的光催化剂，在120分钟的光照时间内，其对100毫克/升的亚甲蓝的去除效率达到了98%。实验数据通过非线性最小二乘法进行了动力学分析。结果表明，在相同的实验条件下，制备的Bi₂O₃/Co-ZnO在连续两个循环中表现出几乎相同的催化活性，这证实了该催化剂具有良好的稳定性和可重复使用性。通过将Bi₂O₃与Co-ZnO结合制备异质结构，能够显著增强ZnO的催化活性，使得Bi₂O₃/Co-ZnO成为一种有前景的可见光驱动型光催化剂，适用于环境修复应用。

引言

近几十年的工业发展引发了许多问题，如环境污染、能源危机、化石燃料的过度消耗以及全球变暖[1]、[2]、[3]、[4]。水污染与空气污染、辐射污染和噪音污染一样，对整个生物圈产生了负面影响[5]、[6]。来自皮革、塑料、农化、制药和纺织等行业含有有机污染物的废水排放是当前重要的环境问题[7]、[8]、[9]、[10]。有机染料是备受关注的污染物之一，它们在许多行业中被广泛使用。由于结构复杂且稳定性高，这些染料一旦释放到环境中会长期存在，因此被称为持久性有机污染物（POPs）[11]、[12]、[13]、[14]。染料是常见的有害物质，对水生生物具有毒性，并且由于具有致癌性和干扰内分泌系统的风险，也对人类健康构成威胁。因此，迫切需要一种可持续的技术来应对这些挑战。传统的废水处理方法（如吸附、沉淀、絮凝和氯化）虽然有一定效果，但无法完全清除环境中的持久性有机污染物[15]、[16]、[17]、[18]。因此，迫切需要开发能够彻底消除持久性有机污染物（如染料）的方法和方案。研究人员提出了高级氧化工艺（AOPs）作为合适的替代方法，这些方法在破坏性消除水系统中各种有机污染物方面具有巨大潜力[19]、[20]、[21]、[22]。高级氧化工艺包括多种方法，其中光催化是一种利用金属氧化物作为催化剂并在光照下进行反应的技术。光能通过激发金属氧化物催化剂中的电子从导带跃迁到价带来引发反应。在光催化过程中使用可见光或阳光是非常理想的，因为这是一种可再生的能源[23]、[24]。与其他废水处理方法相比，光催化具有成本效益高、在实验条件下稳定性好以及反应活性强的优点。此外，光催化还应用于化学分析、材料科学、光子学、环境科学和能源研究等领域[25]、[26]、[27]。氧化锌（ZnO）是一种常用的金属氧化物，在光催化应用中表现出色。由于其可调的性质、无毒性和成本效益，ZnO受到了光催化研究人员的广泛关注[28]、[29]。然而，ZnO的带隙较大（3.3电子伏特），因此无法在可见光下直接用作催化剂，这限制了其在实际应用中的广泛使用，需要进一步的研究来推动其实用化[30]、[31]、[32]、[33]。为此，人们尝试通过掺杂阳离子元素来修改ZnO的结构，以开发出适用于环境应用的可见光活性ZnO基光催化剂[34]、[35]、[36]、[37]。此外，将ZnO与合适的半导体金属氧化物构建异质结构也是提高ZnO催化活性的有效方法[38]、[39]、[40]、[41]。本研究报道了一种由Bi₂O₃和掺杂Co的ZnO组成的异质结构，作为降解亚甲蓝染料的有效光催化剂。Co的掺入促进了光子诱导电子的流动，从而增强了电荷分离效果，提高了光催化性能。

Bi₂O₃/Co-ZnO光催化剂的制备

Bi₂O₃/Co-ZnO是通过共沉淀法制备的。前驱体材料包括醋酸锌二水合物（Zn(CH₃COO)₂·2H₂O）、硝酸钴六水合物（Co(NO₃)₂·6H₂O）和硝酸铋五水合物（Bi(NO₃)₃·5H₂O）。为了制备异质结构光催化剂，分别将4.38克醋酸锌和0.15克硝酸钴溶解在50毫升去离子水中。另外的溶液是将0.12克硝酸铋溶解在15毫升稀硝酸（HNO₃）中制备的。

EDS分析

使用能量分散X射线光谱（EDS/EDX）研究了制备的光催化剂的元素组成。图1显示了合成复合材料的EDS/EDX谱图，可以观察到Bi、Co、Zn和O的特征峰，表明形成了预期的多金属氧化物结构。制备的复合材料中Bi、Co、Zn和O的百分比分别为49%、9%、25%和17%。

各元素的空间分布信息

结论

本研究通过简便的共沉淀方法成功合成了新型Bi₂O₃/Co-ZnO催化剂，并对其进行了表征。采用EDS/EDX、XRD、SEM、XPS和DRS-UV-Visible分析对其进行了研究。与纯ZnO相比，该光催化剂在降解亚甲蓝方面表现出更高的效率，达到了98.5%。动力学分析显示其反应过程属于混合阶行为，且反应速率常数较高。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

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CRediT作者贡献声明

谢里什·雷赫马特（Sehrish Rehmat）：负责形式分析。马库斯·维尼修斯·卡斯特尼亚罗（Marcus Vinicius Castegnaro）：提供资源。哈姆扎·拉克萨奇（Hamza Laksaci）：提供资源，协助写作及审稿编辑。穆罕默德·赛义德（Muhammad Saeed）：协助写作及审稿编辑，负责项目管理和方法论设计，以及实验研究与概念构思。拉格·K·侯赛因（Rageh K. Hussein）：提供资源，协助写作及审稿编辑。穆罕默德·阿迪尔（Muhammad Adeel）：负责形式分析及数据整理。阿西夫·贾米尔（Asif Jamil）：提供资源。

利益冲突声明

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