BiOBr纳米颗粒修饰Ti3C2Tx MXenes光催化降解废水中有机砷污染物的机制与性能研究

为解决有机砷污染物（如洛克沙胂）在水环境中的高毒性及难降解问题，研究人员通过原位合成BiOBr/Ti3C2异质结光催化剂，实现了高效降解废水中的有机砷。该材料通过增强载流子分离和电子传输能力，在0.5小时内达到1.27 mg gcat.?1 h?1的降解效率，表观量子产率（AQY）达29.5%，且可循环使用4次。研究为有机砷污染治理提供了可持续的光催化解决方案。

　　

砷（As）污染因其对环境和人类健康的严重威胁成为全球性难题。有机砷添加剂洛克沙胂（roxarsone）在畜牧业中广泛使用后，通过生物转化生成高毒性无机砷（As³⁺/As⁵⁺），而现有处理技术如生物降解效率低、吸附成本高，光催化技术则面临可见光利用率不足和电荷复合快等瓶颈。为此，中国某研究团队在《RSC Advances》发表研究，首次将BiOBr纳米颗粒嵌入二维材料Ti₃C₂T_x MXenes层间，构建新型异质结光催化剂，实现了有机砷的高效降解。

研究采用水热法合成BiOBr纳米颗粒，通过二甲亚砜（DMSO）插层处理Ti₃C₂T_x以扩大层间距，再通过超声辅助负载BiOBr。利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料结构，通过光电化学测试和荧光光谱（PL）分析载流子行为，并结合液相色谱-电感耦合等离子体质谱（LC-ICP-MS）追踪降解产物。

Morphology and structure of materials
SEM和TEM显示，BiOBr-10/Ti₃C₂中BiOBr纳米颗粒均匀分散于Ti₃C₂T_x层间（图1c-f），元素映射证实Bi、Br与Ti、C的共定位（图1g-l）。XRD显示复合材料保留Ti₃C₂T_x的层状结构，BiOBr的（001）晶面峰强度随负载量增加（图2a）。XPS证实Bi 4f和Br 3d结合能负移，Ti 2p正移，表明界面电子从Ti₃C₂T_x向BiOBr转移（图3b-e）。

Photoelectric properties of materials
BiOBr-10/Ti₃C₂的光电流密度较纯Ti₃C₂T_x提升3倍（图4a），电化学阻抗（EIS）弧半径最小（图4b），PL强度最低且荧光寿命延长至4.23 ns（图4c-d），表明异质结有效抑制了电荷复合。

Photocatalytic performance of roxarsone degradation
在pH=7、可见光下，BiOBr-10/Ti₃C₂对2 mg L^?1洛克沙胂的0.5小时降解效率达1.27 mg g_cat.^?1 h^?1，3小时去除率较纯Ti₃C₂T_x提高1.5倍（图5a）。中性环境最利于As⁵⁺固定（图5b），AQY在380 nm处达29.5%（图5c），且材料可稳定循环4次（图5d）。

Photocatalytic mechanism
UV-Vis显示复合材料可见光吸收增强（图6a），BiOBr带隙为2.69 eV（图6b）。捕获实验表明h⁺和˙OH是主要活性物种（图6c），LC-ICP-MS检测到As⁵⁺产物（图6d），符合WHO安全标准。机理分析表明，BiOBr的价带（VB）空穴氧化H₂O生成˙OH，驱动洛克沙胂氧化矿化（Scheme 2）。

该研究通过精准设计BiOBr/Ti₃C₂异质结，解决了MXenes在光催化领域的效率限制，为有机砷污染治理提供了高效、可持续的技术方案。其创新性在于利用DMSO插层优化材料结构，并通过界面电子转移提升量子效率，为二维材料在环境修复中的应用开辟了新路径。