Z型BiOCl/g-C3N4纳米复合材料高效光催化降解有机污染物及载流子动力学机制研究

本研究针对有机染料污染治理难题，通过水热法合成Z型BiOCl/g-C3N4异质结，实现RhB染料97%的可见光催化降解率。该材料通过协同效应增强光吸收并抑制电子-空穴复合，五轮循环验证其稳定性，为构建高效Z型光催化剂提供新策略。

　　

在工业化进程加速的今天，纺织、化妆品等行业排放的有机染料如罗丹明B（RhB）和甲基橙（MO）已成为水体污染的"隐形杀手"。这些物质不仅难以生物降解，其致癌性、致突变性更对人类健康构成严重威胁。传统处理方法面临效率低、二次污染等瓶颈，而半导体光催化技术因其绿色、高效特性被视为破局关键。然而，单一光催化剂如BiOCl（带隙3.2-3.6 eV）存在可见光响应弱、载流子复合率高等缺陷，g-C₃N₄虽具2.7 eV窄带隙却面临量子效率不足的困境。如何通过材料设计突破这些限制，成为环境纳米技术领域的重大挑战。

针对这一科学难题，研究人员创新性地构建了Z型BiOCl/g-C₃N₄异质结。通过水热法结合热分解的协同制备策略，成功实现了两种半导体材料的原子级耦合。研究采用XRD、FTIR、FESEM等多维表征技术，证实材料具有优化的晶相结构和界面接触；UV-DRS和PL分析揭示其显著提升的可见光吸收能力与抑制的电子-空穴复合行为。

X射线衍射（XRD）分析
XRD图谱显示复合材料同时保留BiOCl的（001）晶面特征峰与g-C₃N₄的（002）层间堆叠峰，无杂质峰出现，证实高纯度异质结的成功构建。通过Scherrer公式计算发现，复合后BiOCl晶粒尺寸减小至18 nm，暴露出更多活性位点。

光催化性能评估
在可见光照射下，BiOCl/g-C₃N₄对RhB的降解率在100分钟内达97%，较纯BiOCl提升2.3倍。五次循环实验后效率仍保持92%，XRD表征显示材料晶体结构未发生改变，证明其卓越的稳定性。自由基捕获实验证实·O₂^-和·OH是降解过程的主要活性物种。

载流子动力学机制
通过Mott-Schottky测试测得BiOCl的导带（CB）和价带（VB）位置分别为0.28 V和3.44 V（vs. NHE），g-C₃N₄则为-1.19 V和1.53 V。能带匹配分析揭示Z型机制：g-C₃N₄的电子与BiOCl的空穴在界面处复合，保留高氧化能力的BiOCl价带空穴与强还原性的g-C₃N₄导带电子，这种独特的电荷转移路径较传统II型异质结具有更优的氧化还原能力。

该研究通过精准的能带工程设计，开创性地构建了具有直接Z型传输机制的2D/2D异质结系统。相较于既往报道的Ta₃N₅/BiOCl等复合材料，新体系在保持强氧化还原能力的同时，实现了载流子寿命的显著延长。研究成果不仅为有机污染物治理提供了新材料，其揭示的界面电荷传输规律更为设计高效Z型光催化剂提供了理论蓝图。论文发表于《Environmental Nanotechnology, Monitoring》，为环境功能材料的开发树立了新标杆。