PPy-BiVO4-Cu2+异质结的构建及其可见光催化降解2,4-二氯苯酚的机制研究

针对2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）这一持久性有机污染物的高效降解难题，研究人员通过溶胶-凝胶法和化学氧化聚合法构建了PPy-BiVO4-Cu2+三元复合光催化剂。该材料通过Cu2+掺杂和导电聚吡咯（PPy）复合形成双p-n异质结与Z型异质结，实现了91.51%的2,4-DCP降解效率，为低能耗LED可见光驱动的废水处理提供了新策略。

　　

论文解读

研究背景
2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）作为典型的氯酚类化合物，不仅是持久性有机污染物（POPs），更是一种新型内分泌干扰物（EDCs）。其广泛存在于农药、消毒剂等工业废水中，浓度可达107 mg/L，远超中国地表水环境质量标准（0.093 mg/L）。传统处理方法如吸附和生物降解效率有限，而高级氧化技术中的光催化因其绿色高效特性备受关注。然而，常用光催化剂BiVO₄存在电荷分离效率低（仅10%）、可见光响应不足等缺陷，严重制约其实际应用。

研究设计与方法
陕西省科技厅资助的研究团队通过溶胶-凝胶法合成Cu²⁺掺杂BiVO₄，再经化学氧化聚合引入聚吡咯（PPy），构建了三元PPy-BiVO₄-Cu²⁺复合体系。采用XRD、SEM、XPS等技术表征材料结构，通过自由基捕获实验和电化学分析阐明反应机制，最终在LED可见光下评估2,4-DCP降解性能。

研究结果

1. 材料表征：XRD证实Cu²⁺掺杂后形成BiCu₂VO₆和CuO新相，PPy复合使光吸收范围扩展至230-800 nm。
2. 光催化性能：3%PPy-BiCu-4复合材料在1.5小时内实现91.51%的2,4-DCP降解率，动力学常数达纯BiVO₄的3.2倍。
3. 机制解析：双p-n异质结（BiVO₄/CuO/BiCu₂VO₆）与Z型异质结（PPy/BiVO₄）协同促进电荷分离，导带电子（e^-）与价带空穴（h⁺）分别生成•O₂^-和•OH活性物种。

结论与意义
该研究创新性地将导电聚合物、过渡金属掺杂与半导体异质结耦合，解决了BiVO₄电荷分离效率低的核心问题。提出的"双异质结协同作用"机制为设计高效可见光催化剂提供了新思路，其低能耗LED驱动特性显著提升了技术实用性，对推动水污染治理技术工业化具有重要价值。论文发表于《Environmental Research》，通讯作者为Lihua Liang。