原位水热合成Bi2 S3 纳米带构建高效Cr(VI)光催化还原体系：Bi2 S3 /BiVO4 /TiO2 复合膜的形态调控与性能优化

针对工业废水重金属污染治理难题，河南科研团队创新性地通过原位水热法构建Bi2 S3 /BiVO4 /TiO2 三元异质结薄膜。通过调控硫源浓度实现Bi2 S3 形貌从纳米针到纳米带的精准调控，最优样品SVT-5展现出96.1%的Cr(VI)还原效率及0.0336 min?1 的反应速率，为TiO2 基光催化剂在环境修复中的应用提供新策略。

　　

随着工业化进程加速，重金属水污染已成为全球性环境挑战。其中，具有强毒性和致癌性的六价铬(Cr(VI))是电镀、制革等行业废水的主要污染物。传统处理方法如吸附、化学沉淀等存在二次污染风险，而光催化技术因其绿色可持续特性备受关注。然而，主流光催化剂TiO₂
存在可见光响应差（仅利用5%紫外光）、载流子复合率高等瓶颈。尽管新型材料如MXenes表现优异，但其稳定性差、成本高的缺陷制约了实际应用。如何通过材料改性突破TiO₂
的性能限制，成为环境催化领域的关键科学问题。

河南科研团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表的研究中，创新性地将窄带隙半导体Bi₂
S_{3>（2.76 eV）与BiVO4
耦合至TiO2
基底，通过原位水热法构建了三元异质结薄膜。研究采用硫源浓度梯度调控策略，结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等表征手段，系统考察了材料形貌演化规律与光电性能的构效关系。}

关键实验技术

1. 水热合成法：在FTO导电玻璃上分步制备TiO₂
   、BiVO₄
   /TiO₂
   及Bi₂
   S₃
   /BiVO₄
   /TiO₂
   薄膜
2. 形貌调控：以硫脲为硫源，设置1-10 mmol浓度梯度调控Bi₂
   S₃
   生长形貌
3. 光电化学测试：通过光电流响应、电化学阻抗谱（EIS）评估载流子分离效率
4. 光催化评价：以5 mg/L Cr(VI)溶液为模型污染物，考察可见光下的还原动力学

研究结果
Materials and structure
XRD证实成功构建含锐钛矿TiO₂
（PDF#21-1276）、单斜BiVO₄
（PDF#14-0688）和斜方Bi₂
S₃
（PDF>17-0320）的三相复合体系。SEM显示硫源浓度显著影响Bi₂
S₃
形貌：1 mmol时形成纳米针，3-5 mmol转为均匀纳米带（宽度80-120 nm），7 mmol出现纳米片，10 mmol时发生团聚。

Morphology and structure
TEM观察到Bi₂
S₃
纳米带与BiVO₄
颗粒在TiO₂
表面形成紧密界面接触，选区电子衍射（SAED）显示清晰的晶体衍射斑点，证实材料的高结晶性。XPS分析表明Bi₂
S₃
的引入使复合膜中Ti⁴⁺
/Ti³⁺
氧化还原对含量提升1.8倍，有利于电子传递。

Photocatalytic performance
在模拟太阳光下，SVT-5样品表现出最优性能：紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）显示吸收边红移至650 nm，带隙窄化至2.76 eV；瞬态光电流密度达8.7 μA/cm²
，是纯TiO₂
的6.2倍；电化学阻抗降低72%，载流子寿命延长至15.2 ms。对Cr(VI)的还原效率达96.1%（100 min），速率常数0.0336 min^?1
，较BiVO₄
/TiO₂
提升2.1倍。

结论与意义
该研究通过硫源浓度梯度调控，实现了Bi₂
S₃
从纳米针→纳米带→纳米片的形貌演变，发现5 mmol硫源制备的纳米带结构（SVT-5）具有最佳光催化性能。其优势源于三方面：（1）纳米带结构提供高比表面积（89.6 m²
/g）和丰富活性位点；（2）三元异质结形成阶梯型能带结构，促进电子从Bi₂
S₃
→BiVO₄
→TiO₂
定向转移；（3）Ti³⁺
/氧空位缺陷协同抑制载流子复合。研究不仅为TiO₂
基光催化剂的性能优化提供形态调控新思路，其薄膜化设计更解决了粉末催化剂回收难题，对重金属废水处理技术的实际应用具有重要推进作用。