氧空位调控Bi4NbO8Cl/AgFeO2 S型异质结界面工程增强光催化降解有机污染物的机制研究

针对半导体光催化中界面电荷转移效率低的问题，研究人员通过氧空位缺陷工程构建了Bi4NbO8Cl-OV/AgFeO2 S型异质结。该催化剂对罗丹明B和环丙沙星的降解速率分别提升2.7倍和1.4倍，为缺陷调控异质结界面提供了新范式。

　　

随着全球水污染问题日益严峻，抗生素和有机染料等持久性污染物对水生生态系统造成多重威胁。这类污染物不仅会破坏微生物群落平衡、诱导抗性基因传播，还会阻碍水体自净能力。尽管半导体光催化技术被视为绿色解决方案，但传统材料普遍面临可见光响应范围窄、光生载流子复合率高的瓶颈。特别是Bi₄NbO₈Cl基异质结虽能通过II型异质结促进电荷分离，却往往以牺牲氧化还原电位为代价。

针对这一挑战，中国某高校研究团队创新性地将氧空位（OV）引入S型异质结界面设计，在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了突破性成果。该研究通过氢热处理在Bi₄NbO₈Cl（BNC）中构建氧缺陷（BNC-OV），再通过原位沉积法耦合窄带隙AgFeO₂（AF），形成了具有强界面化学键合的BNC-OV/AF异质结。

关键技术方法包括：熔盐法制备BNC纳米片、氢热处理引入氧空位、化学沉淀法构建异质结，结合DFT理论计算验证界面相互作用。通过SEM/TEM表征材料形貌，XPS/EPR确认氧空位存在，光电化学测试评估载流子分离效率。

【Structural and morphological characterizations】
透射电镜显示BNC-OV呈现二维纳米片结构（宽度微米级、厚度约100nm），SAED衍射证实其为[001]晶向的Sillen-Aurivillius相。HRTEM观察到BNC-OV与AF间存在0.32nm和0.24nm的晶格条纹，分别对应BNC的(110)晶面和AF的(012)晶面，界面处呈现原子级紧密接触。

【Photocatalytic performance evaluation】
可见光下降解实验显示：BNC-OV/AF对罗丹明B（RhB）和环丙沙星（CIP）的准一级动力学常数分别达8.89×10^?2 min^?1和3.08×10^?2 min^?1，较无氧空位样品提升2.7倍和1.4倍。自由基捕获实验证实·O₂^?和h⁺是主要活性物种。

【Mechanism investigation】
DFT计算表明氧空位使BNC费米能级上移0.12eV，增强界面电荷重排。原位XPS显示光照后BNC-OV的Bi 4f结合能正移0.38eV，而AF的Fe 2p负移0.45eV，符合S型异质结的电子转移路径。氧空位作为电子陷阱可降低界面转移电阻达63%。

该研究通过缺陷工程精准调控异质结界面电子结构，实现了三大突破：①创建氧空位介导的化学键合界面，使电荷转移速率提升2倍；②保持S型异质结强氧化还原能力的同时，将可见光吸收边拓展至650nm；③为设计高效废水处理光催化剂提供新思路。Xu Sun等作者强调，这种"缺陷锚定-界面重构"策略可推广至其他S型体系，对开发太阳能驱动的环境修复技术具有重要指导意义。