构建双 S 型 BaTiO3/BiVO4/g-C3N4异质结光催化剂：高效降解废水中有机污染物与抗生素的新突破

当前，纺织和制药行业排放的有机污染物及四环素（TC）污染水体，危害环境与健康。研究人员构建 BaTiO3/BiVO4/g-C3N4（BBG）三元体系光催化剂。结果显示，BBG - 20 对甲基橙（MO）降解率达 91.5%，为相关领域提供新思路。

　　在过去的几十年间，纺织和制药行业肆意排放大量有机污染物，如同一场隐匿的生态灾难，悄然污染着水系统。像甲基橙（MO）这类常见的有机染料，还有广泛用于畜牧、水产和农业的抗生素四环素（TC），它们在水体中肆意蔓延，不仅严重破坏生态平衡，还对人类健康构成巨大威胁。传统的废水处理技术，如过滤、物理化学处理等，在面对这些顽固的有机污染物时，往往束手无策。因此，寻找绿色环保且高效的废水处理方法，成为科研领域亟待攻克的难题。

在这样的背景下，半导体光催化技术凭借其在可见光或紫外光照射下处理废水和修复环境的潜力，吸引了众多科研人员的目光。其中，钛基金属氧化物在去除有机污染物方面发挥着重要作用。就拿钛酸钡（BaTiO₃）来说，它是一种 n 型材料，具有铁电特性、环境友好、成本低、无毒以及稳定性强等诸多优点。然而，BaTiO₃也存在一些短板，其较大的带隙能量（3.2 eV）使其仅在紫外光下表现较好，而且光生电子和空穴容易复合，导致光催化活性较低。为了提升 BaTiO₃的性能，科研人员尝试了多种方法，构建异质结便是其中的关键策略。

同样，铋酸钒（BiVO₄）作为一种 n 型半导体，带隙能量为 2.34 eV ，因其无毒、成本低和光稳定性好，在环境修复领域备受关注。但它也面临着电荷复合过快的问题，限制了实际应用。而石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种无金属聚合物半导体，具有二维层状结构、化学和热稳定性好、比表面积大等优势，可用于降解有机污染物。不过，它的光生载流子复合快、可见光吸收弱，制约了其光催化效率。

基于此，研究人员开展了一项极具创新性的研究，旨在构建新型双异质结构 BaTiO₃/BiVO₄/g-C₃N₄（BBG），以提高光催化活性。这项研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为废水处理和环境修复带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过固态复分解、水热和热处理等方法制备了相关材料及其异质结。接着，采用粉末 X 射线衍射、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外 - 可见漫反射光谱（UV - Vis DRS）、X 射线光电子能谱、扫描电子显微镜、高分辨率透射电子显微镜和光致发光等表征技术，对材料的结构、形貌、光学和电化学性质进行了系统研究。

下面来看具体的研究结果：

• 结构与形貌表征：通过粉末 X 射线衍射对制备的催化剂进行分析，结果显示纯 BaTiO₃（BTO）在特定角度出现特征峰，如 22.2°、31.5° 等，且 45.2° 的峰分裂，表明其具有四方相结构，这与之前的研究报道相符。这些数据为后续研究提供了基础，确认了材料的基本结构特征。
• 光催化性能测试：研究人员以甲基橙（MO）和四环素（TC）为目标污染物，对制备的光催化剂进行性能测试。结果令人惊喜，含有 20 wt% g-C₃N₄的 BaTiO₃/BiVO₄复合材料（BBG - 20）展现出卓越的光降解效率。在降解 MO 时，BBG - 20 的降解率高达 91.5% ，分别是纯 BaTiO₃（17.3%）的 5.28 倍，BaTiO₃/BiVO₄（26.5%）的 3.45 倍。这一结果表明，BBG - 20 在光催化降解有机污染物方面具有显著优势。
• 电荷分离机制研究：为了探究 BBG 体系高效光催化的原因，研究人员进行了一系列实验。通过捕获剂实验、对苯二甲酸光致发光、氮蓝四唑（NBT）测试和电子自旋共振分析等手段，证实了超氧自由基（?O₂^-）和羟基自由基（?OH）在 MO 和 TC 降解过程中发挥了关键作用。并且，BBG 体系的双 S 型异质结构促进了电荷的有效分离，这也是其光催化活性增强的重要原因。

综合上述研究，研究人员成功构建了 BaTiO₃/BiVO₄/g-C₃N₄（BBG）三元体系光催化剂，并用于在紫外光照射下降解 MO 和 TC。其中，BBG - 20 表现出优异的光催化性能，其对 MO 的降解效果远超单一材料和部分二元复合材料。这一研究成果意义重大，不仅为设计用于去除废水中有机污染物和抗生素的三元体系提供了宝贵的理论依据，还为环境修复领域开辟了新的方向。未来，基于该研究成果，有望进一步开发出更高效、更环保的光催化剂，为解决全球水污染问题贡献更多力量。