Z型BiOBr/Bi2O3异质结的能带设计与氧缺陷协同促进载流子分离以共催化CIP和Cr(VI)

针对工业废水中抗生素CIP与重金属Cr(VI)混合污染的治理难题，研究人员通过共沉淀法构建了具有褶皱结构的Z型BiOBr/Bi2O3异质结。利用CH3COOH调控形貌和能带宽度（Eg为2.74-2.91 eV），结合氧缺陷增加活性位点，实现了Cr(VI)和CIP的协同催化（40分钟降解率分别达98.7%和96.4%），为复杂污染物治理提供了新策略。

　　

在当今工业废水处理领域，抗生素与重金属的混合污染已成为严峻挑战。环丙沙星（CIP）作为喹诺酮类抗生素的典型代表，其难以降解的特性导致水体生态链破坏；而六价铬Cr(VI)更是具有强致癌性，两者在工业废水中的共存使得传统单一污染物处理技术捉襟见肘。尽管半导体光催化技术（如TiO₂、ZnS等）展现出潜力，但窄的光响应范围和快速的电子-空穴复合严重制约其效率。BiOBr虽具有独特的二维层状结构，能通过内建电场促进载流子分离，但其高复合率和低电荷转移速率仍是瓶颈。如何通过材料设计实现污染物协同催化，成为突破该领域技术壁垒的关键。

针对这一难题，来自黑龙江省自然科学基金和国家自然科学基金支持的研究团队，在《Journal of Alloys and Compounds》发表了创新性成果。该研究采用共沉淀法，以乙酸（CH₃COOH）为形貌调控剂，成功构建了具有褶皱结构的Z型BiOBr/Bi₂O₃异质结。通过调控乙酸浓度（1.0-4.0 mol/L）实现能带宽度（E_g）在2.74-2.91 eV范围内的精确设计，同时引入氧缺陷作为电子陷阱。主要技术包括X射线衍射（XRD）分析晶体结构、电子顺磁共振（EPR）检测氧缺陷、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定能带结构，以及电化学阻抗（EIS）评估电荷转移效率。

研究结果

结构表征
XRD图谱显示样品同时具备BiOBr（JCPDS 09-0393）的(101)晶面特征峰和Bi₂O₃的(201)晶面衍射峰。扫描电镜（SEM）观察到独特的褶皱结构，比表面积达48.6 m²/g，为污染物吸附提供更多活性位点。

光学特性调控
UV-Vis显示随着乙酸浓度增加，光吸收边发生蓝移，E_g从2.74 eV增至2.91 eV。EPR谱图中g=2.003的信号证实了氧缺陷的存在，其浓度与乙酸用量呈正相关。

协同催化性能
在模拟太阳光下，最优样品（E_g=2.74 eV）对Cr(VI)和CIP的催化效率分别是纯BiOBr的2.69倍和2.18倍。机理研究表明，Z型异质结中电子通过氧缺陷介导的界面态转移，使导带电子（e^-）高效还原Cr(VI)，而价带空穴（h⁺）氧化CIP，两者互不干扰。

结论与意义
该研究通过形貌-能带-缺陷的协同调控，首次揭示了褶皱结构与E_g的定量关系（每增加1 mol/L乙酸，E_g扩大0.06 eV）。Z型机制使电子-空穴利用率提升173%，突破了传统催化剂仅针对单一污染物的局限。这项成果不仅为复杂废水处理提供了新材料设计范式，其"能带工程-缺陷化学"协同策略更可拓展至其他光催化体系，具有重要的环境工程应用价值。