嵌入式Bi三明治结构Bi2O3/Bi/TiO2光催化剂实现甲苯高效持久降解

针对光催化降解甲苯过程中载流子分离效率低、有毒中间体积累导致催化剂失活等问题，研究人员设计了一种界面嵌入Bi三明治结构的II型异质结Bi2O3/Bi/TiO2光催化剂。该催化剂通过Bi的电子抽取效应促进电荷分离，持续生成•OH和•O2?活性氧物种，在连续流动反应系统中保持80%的甲苯降解率，较纯TiO2提升近一倍，为开发高效稳定光催化剂提供了新思路。

　　

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论文解读

挥发性有机污染物甲苯不仅危害胚胎发育和中枢神经系统，其稳定的苯环结构更使传统降解技术面临巨大挑战。尽管光催化技术因环保高效被视为理想解决方案，但TiO₂等传统催化剂存在载流子复合率高（导致效率低下）和中间产物毒化（引发快速失活）两大瓶颈。现有改进策略如贵金属修饰虽能提升性能，却受限于高昂成本和复杂工艺。如何通过简单方法构建兼具高活性与强抗毒化能力的催化剂，成为环境催化领域的重大难题。

针对这一挑战，福州大学的研究团队创新性地设计出界面嵌入金属Bi的Bi₂O₃/Bi/TiO₂三明治结构光催化剂。该材料通过一步水热法制备，系统优化了Bi负载量（1 wt%）和环境湿度（80 RH%），在连续24小时反应中保持80%的甲苯降解率，较纯TiO₂（45%）实现近翻倍提升，相关成果发表于《Journal of Environmental Sciences》。研究采用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）解析晶体结构与电子状态，通过电子顺磁共振（EPR）捕获活性氧物种，结合光电化学测试阐明电荷传输机制。

结构表征揭示三明治构效关系
XRD图谱显示复合材料同时存在锐钛矿TiO₂（25.35°）和单质Bi（27.16°）的特征峰，XPS证实Bi⁰/Bi³⁺共存态。高分辨TEM观察到Bi纳米颗粒被紧密包裹在Bi₂O₃与TiO₂界面间，形成典型的"半导体-金属-半导体"三明治结构。这种独特构型使Bi作为电子传输桥梁，通过表面等离子体共振（SPR）效应将光吸收范围拓展至可见光区。

性能优势源于双通道电荷传输
光电化学测试显示三明治结构的瞬态光电流强度达到纯TiO₂的3.2倍，电化学阻抗降低68%。EPR检测到持续生成的•OH和•O₂^?信号，证实嵌入Bi通过电子抽取效应形成双通道传输路径：一方面促进光生电子从TiO₂导带向Bi₂O₃价带迁移，另一方面激活O₂/H₂O分子产生活性氧物种。这种机制既抑制了e^--h⁺复合，又避免中间产物在活性位点堆积。

环境适应性验证工程价值
在80%湿度条件下，优化后的催化剂对10 ppm甲苯的矿化率高达72%，且经5次循环后活性仅下降4.3%。对比实验表明，表面负载Bi的对照组因直接暴露于毒化环境，24小时后活性衰减达35%，而三明治结构通过界面保护使Bi维持稳定电子传输功能。质谱分析显示中间产物苯甲醛和苯甲酸的积累量较对照组减少81%，证实该设计能实现污染物深度矿化。

该研究通过精准调控金属-半导体界面工程，为解决光催化剂效率-稳定性难以兼得的行业难题提供了普适性策略。三明治结构设计不仅适用于甲苯降解，其"电子桥梁+界面保护"的双重机制对开发其他VOCs处理系统具有重要启示。特别值得注意的是，采用非贵金属Bi替代铂族元素，在保持性能的同时大幅降低成本，为工业化应用铺平道路。这项工作被审稿人评价为"界面催化与环境材料科学的巧妙结合"，相关技术已申请中国发明专利。