缺陷工程调控BiOI的竞争性优势：无需复合材料的优异光电化学传感与光催化性能

本研究针对半导体材料在光电化学(PEC)传感和光催化(PCA)应用中存在的可见光吸收率低、载流子复合快等问题，通过精确调控BiOI的缺陷工程（Al3+/Sn2+掺杂），发现Sn掺杂可产生氧空位(OVs)，将电荷转移电阻(Rct)降至39Ω，使Cr(VI)检测限达0.13μM，光降解速率常数提升1.9倍。该成果为简化材料设计提供了新范式。

　　

随着工业发展带来的水污染问题日益严峻，开发高效、低成本的水处理技术成为全球性挑战。光电化学(PEC)传感和光催化(PCA)技术因其绿色、可持续的特性备受关注，但传统半导体材料普遍面临两大瓶颈：可见光区吸收率低，以及光生电子(e^–)-空穴(h⁺)对快速复合。为解决这些问题，研究者通常采用构建复杂异质结复合材料的方法，但这往往伴随制备工艺繁琐、成本高昂等缺点。

在此背景下，埃及科学研究团队在《Materials Today Chemistry》发表了一项突破性研究。该团队另辟蹊径，通过原子尺度的缺陷工程调控，使简单半导体BiOI的性能媲美复杂复合材料。研究采用乙二醇辅助溶剂热法合成海胆状纳米结构，通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱等技术系统分析了Al³⁺和Sn²⁺掺杂对BiOI晶体结构的影响，并结合电化学测试揭示了性能增强机制。

关键实验方法
研究通过溶剂热法合成未掺杂(u-BiOI)、Al掺杂(BiOI:Al)和Sn掺杂(BiOI:Sn)纳米材料，采用XRD分析晶体结构变化，XPS验证元素价态，扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察形貌，紫外-可见漫反射光谱(DRS)测定带隙，电化学阻抗谱(EIS)评估电荷转移性能，并通过降解刚果红(CR)和强力霉素(DOX)评价光催化活性。

晶体相与几何特性
XRD分析显示Al³⁺因离子半径(0.535?)远小于Bi³⁺(1.03?)，导致晶格畸变和c轴收缩(从9.139?降至9.096?)；而Sn²⁺(0.93?)因半径接近Bi³⁺且价态不同(异价掺杂)，主要诱导氧空位形成。拉曼光谱在236cm^?1处的新峰证实了Sn掺杂产生的OVs。

光电性能与机理
Sn掺杂使带隙(E_g)窄化0.10eV，但带隙减小并非性能提升主因。关键在OVs形成的缺陷态能有效捕获载流子，将R_ct从u-BiOI的89Ω降至39Ω。最优的1%Sn-BiOI对CR和DOX的降解速率常数分别达30×10^?6和12×10^?6W^?1min^?1，较Al掺杂提升1.7-1.9倍。

PEC传感性能
Sn-BiOI对Cr(VI)的检测限低至0.13μM，稳定性超过800秒，性能与复杂复合材料相当。这归因于OVs促进Cr(VI)吸附和电子转移。

结论与意义
该研究证实：通过精确选择离子半径匹配的异价掺杂剂(Sn²⁺)，可在简单半导体中构建理想缺陷态，实现媲美复合材料的性能。这一缺陷工程策略不仅为BiOI材料设计提供新思路，更启示半导体研究可回归材料本征调控，避免复杂复合带来的成本与稳定性问题。Eman Maher Kira等的工作为水污染治理和环境监测提供了更经济高效的解决方案，对推动绿色技术发展具有重要意义。