BiOCl光催化剂中氧空位的简易调控及其对罗丹明B高效降解的机制研究

推荐：本研究针对传统光催化剂可见光响应范围窄、载流子复合率高的问题，通过温和水热法构建了具有可调氧空位(OVs)的BiOCl微球催化剂。研究发现OVs浓度与CTAC添加量呈非线性关系，BiOCl-3样品因最优化的OVs含量(26.35%)和比表面积(22.1 cm2 g-1)，在48分钟内实现罗丹明B(RhB)完全降解，且循环4次后效率仍保持90%。该工作为环境污染物治理提供了新型高效光催化材料设计策略。

　　

工业废水中有机染料污染是环境治理的重大挑战，其中罗丹明B(RhB)作为典型污染物，传统处理方法存在效率低、成本高等缺陷。光催化技术虽具潜力，但常用半导体如TiO₂、ZnO等存在可见光响应范围窄、载流子复合快等瓶颈。BiOCl因其独特的[Bi₂O₂]²⁺层状结构成为研究热点，但其宽带隙(约3.3 eV)限制了实际应用。氧空位(OVs)工程虽能改善性能，传统制备方法却需要高温或复杂后处理，且空位浓度调控困难。

针对这些挑战，国内研究人员在《Results in Chemistry》发表论文，开发出"三位一体"的解决方案：通过简单水热法同步调控BiOCl的OVs含量、微观结构和比表面积。研究团队采用CTAC（十六烷基三甲基氯化铵）作为形貌导向剂，在170℃温和条件下制备出由纳米片组装的微球结构，创新性地发现添加剂用量与OVs浓度存在非线性关系。

关键技术方法包括：1）变温X射线衍射(XRD)分析晶体结构；2）X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)定量OVs；3）氮气吸附-脱附测定比表面积；4）瞬态光电流和电化学阻抗谱(EIS)评估载流子分离效率；5）荧光探针法追踪·OH、·O₂^-等活性物种。

【结构表征与OVs调控】
XRD证实所有样品均为纯相四方晶系BiOCl（JCPDS 06-0249），SEM显示2.5 μm微球由交错纳米片构成。XPS定量分析揭示BiOCl-3的O_OH/O_L峰面积比达0.441（对应26.35% OVs含量），EPR信号强度验证其具有最高OVs浓度。值得注意的是，当CTAC用量从1.6 g增至2.0 g时，OVs含量反而下降，表明表面活性剂过量会抑制缺陷形成。

【光电性能优化】
UV-Vis DRS显示BiOCl-3的带隙降至3.30 eV，拓展了可见光吸收。莫特-肖特基测试确定其导带电位(-1.09 V)足够还原O₂生成·O₂^-，价带电位(2.21 eV)可氧化H₂O产生·OH。光电流密度测试表明BiOCl-3的载流子分离效率最高，EIS谱中较小的圆弧半径证实OVs有效降低了电荷转移阻抗。

【催化性能与机制】
在pH=7条件下，BiOCl-3对RhB的吸附率(21.3%)和降解率(100%)均最优。自由基捕获实验证实h⁺是主要活性物种，·O₂^-和·OH协同参与降解。2-HTPA荧光强度随时间增强，而NBT特征吸收衰减，证明OVs促进了活性氧物种的持续生成。微球结构的大比表面积(22.1 cm² g^-1)和介孔结构(9.4 nm)为反应提供了充足活性位点。

该研究通过"结构-缺陷-性能"的精准调控，解决了光催化剂设计中可见光利用效率与载流子分离效率难以协同提升的难题。所开发的温和制备方法避免了传统高温处理导致的烧结问题，CTAC用量与OVs浓度的非线性关系为缺陷工程提供了新见解。循环后XPS显示O_OH/O_L比降至0.294，证实OVs在反应中持续参与电子传递，这种"自牺牲"机制解释了催化剂的循环稳定性。研究成果为工业废水处理提供了兼具高效性和经济性的解决方案，其缺陷调控策略可拓展至其他金属氧化物光催化剂体系。