采用双方法构建Bi5O7I/Bi2WO6异质结构，以实现高效的光催化降解氧四环素并灭活细菌

《Journal of Alloys and Compounds》：Dual-method construction of Bi 5O 7I/Bi 2WO 6 heterostructures for efficient photocatalytic degradation of oxytetracycline and bacterial inactivation

光催化纳米复合材料Bi5O7I/Bi2WO6通过共沉淀和氢热法制备，50%质量比时表现出最优性能：90分钟内OTC降解率98.3%，大肠杆菌抑制率100%。异质结界面内电场促进载流子分离，比表面积较单一组分提高10.2和18.7倍，增强ROS（·OH/h+/e?）生成，提升光解水处理效率。

　　在当今社会，随着医疗和畜牧业的快速发展，大量未经处理的含有药物成分的废水被排放到水体中，其中氧四环素（OTC）作为一种常见的抗生素，其排放对生态环境和人类健康构成了严重威胁。OTC具有稳定的化学结构，容易在水中积累，传统的水处理技术难以有效去除这类污染物。与此同时，由于抗生素滥用现象的加剧，大量未被代谢的抗生素残留进入地下水系统，成为耐药菌繁殖的温床，进一步增加了水污染治理的难度。面对这一挑战，开发高效、经济且环保的水处理技术显得尤为重要。

近年来，半导体光催化剂因其能够利用太阳能产生强氧化性自由基，从而有效降解有机污染物并灭活病原微生物，成为水处理领域的研究热点。这类技术通过光激发半导体材料，使其产生电子-空穴对，这些载流子能够与水中的污染物发生反应，将其彻底矿化为无害的产物。光催化剂的性能主要取决于其光响应范围、载流子的分离效率以及材料的表面特性。为了提高光催化剂的性能，研究者们不断探索新的材料设计策略，包括调控材料的微观结构和构建异质结。

在众多光催化剂中，基于铋的材料因其适宜的禁带宽度、分层结构以及低成本和无毒等优点，被广泛应用于污染物的降解。然而，单一组分的铋基光催化剂存在载流子快速复合的问题，这限制了其在实际应用中的效率。为了解决这一问题，研究者们提出了多种改性策略，如形态调控、异质结构建、缺陷工程、贵金属沉积以及离子掺杂等。其中，构建异质结被认为是一种有效的手段，因为它能够促进载流子的分离并优化电子传输路径。

在本研究中，研究人员采用共沉淀和水热法成功合成了具有分级球形结构的Bi₅O₇I/Bi₂WO₆纳米复合材料。该复合材料被命名为BB-50，其性能在Bi₅O₇I:Bi₂WO₆质量比为50%时达到最佳。实验结果显示，在90分钟内，BB-50对OTC的降解率达到98.3%，对大肠杆菌（E. coli）的抑制率达到100%。这一显著的性能提升主要归因于复合材料的异质结结构和其独特的物理化学特性。

异质结的形成在本研究中发挥了关键作用。通过异质结的构建，材料表面产生了内部电场，这种电场有助于光生载流子的分离和迁移，从而提高了光催化效率。此外，Bi₅O₇I/Bi₂WO₆异质结的形成还促进了活性氧物种（ROS）的生成，包括羟基自由基（·OH）、空穴（h⁺）和电子（e^?）。这些活性物质在光催化过程中起到了重要作用，能够有效破坏有机污染物的分子结构，并破坏细菌的细胞膜和内部功能组件，从而实现对污染物的高效去除。

除了载流子分离和活性物种生成，复合材料的光吸收能力和吸附能力也是其优异性能的重要因素。实验结果表明，BB-50的光吸收范围向可见光区红移至433 nm，这意味着其能够更有效地利用太阳光进行光催化反应。同时，BB-50的比表面积显著高于其组成材料Bi₅O₇I和Bi₂WO₆。具体而言，BB-50的比表面积分别是Bi₅O₇I和Bi₂WO₆的10.2倍和18.7倍。这一特性不仅增强了材料的吸附能力，还为其提供了更大的反应界面，从而进一步提升了光催化效率。

在实验过程中，研究人员还对BB-50的光催化机理进行了深入探讨。通过淬灭实验和电子顺磁共振（EPR）实验，确认了羟基自由基（·OH）和空穴（h⁺）是光催化过程中主要的活性物种。这些活性物质在光照射下被激发，参与污染物的降解过程。此外，实验还分析了OTC的矿化降解路径，并评估了其中间产物的毒性。这些研究为理解光催化反应的机理提供了重要的依据，同时也为优化材料结构和提高光催化性能提供了理论支持。

为了进一步验证BB-50的光催化性能，研究人员还对其进行了结构表征。X射线衍射（XRD）分析显示，BB-50的晶体结构与Bi₅O₇I和Bi₂WO₆的结构特征一致，表明异质结的构建并未改变材料的基本晶体结构，而是通过物理组合的方式增强了其性能。此外，材料的表面形貌分析也显示，BB-50具有规则的球形结构，这种结构不仅提高了其比表面积，还优化了光的散射和吸收效率，从而增强了光催化反应的进行。

值得注意的是，本研究不仅关注了材料的性能提升，还对其在实际水处理中的应用潜力进行了评估。实验结果表明，BB-50在可见光驱动下对OTC和E. coli具有显著的去除效果，这为开发新型高效的水处理技术提供了重要的参考。此外，该复合材料的制备方法相对简单，且成本较低，这使其在实际应用中具有较高的可行性。

为了进一步优化材料的性能，研究人员还对Bi₅O₇I的形态进行了调控。通过精确控制煅烧温度，成功合成了具有纳米花结构的Bi₅O₇I-NF材料。这种形态的调控不仅改善了材料的表面特性，还为其后续与Bi₂WO₆的复合提供了良好的基础。随后，通过水热法将Bi₂WO₆与Bi₅O₇I-NF复合，最终获得了具有分级球形结构的BB-50复合材料。

在光催化反应中，载流子的分离和迁移效率是影响催化性能的关键因素。由于Bi₅O₇I/Bi₂WO₆异质结的形成，BB-50在可见光照射下表现出优异的载流子分离能力。这种高效的载流子分离不仅减少了电子和空穴的复合损失，还提高了光生载流子的利用率，从而显著增强了光催化活性。此外，复合材料的高比表面积也为载流子的迁移提供了更多的通道，进一步提升了反应效率。

本研究还探讨了BB-50在光催化过程中可能的反应路径。通过实验分析，研究人员发现OTC在BB-50的催化作用下经历了复杂的降解过程，最终被完全矿化为二氧化碳和水等无害物质。这一过程不仅涉及氧化反应，还可能包括还原反应，这取决于光催化剂的电子传输路径和反应条件。同时，实验还评估了OTC降解过程中产生的中间产物的毒性，为全面理解光催化反应的安全性和环境友好性提供了依据。

在实际应用中，BB-50展现出良好的稳定性和重复使用性。实验结果显示，该复合材料在多次循环使用后仍能保持较高的催化活性，这表明其具有一定的耐久性。这一特性对于实际水处理应用尤为重要，因为高效的水处理技术需要材料具备良好的循环利用能力，以降低运行成本并减少资源浪费。此外，BB-50在不同环境条件下的表现也表明其具有一定的适应性，能够在多种水体环境中发挥良好的光催化作用。

本研究的成果为解决水污染问题提供了新的思路和方法。通过构建Bi₅O₇I/Bi₂WO₆异质结，研究人员成功提升了光催化剂的性能，使其在可见光条件下能够高效去除有机污染物和病原微生物。这一技术的推广和应用有望为改善水环境质量、减少抗生素残留对生态系统的危害提供有效的解决方案。

此外，本研究还强调了材料设计和结构调控在提升光催化性能中的重要性。通过合理的材料组合和结构优化，可以显著增强光催化剂的性能，使其在实际应用中更具竞争力。这一研究不仅为光催化剂的设计提供了理论指导，也为相关领域的技术创新奠定了基础。未来，研究人员可以进一步探索不同组分和结构的组合，以开发更加高效、经济的光催化剂。

总的来说，本研究通过构建Bi₅O₇I/Bi₂WO₆异质结，成功提升了光催化剂的性能。BB-50在可见光照射下表现出优异的降解能力和杀菌效果，为水污染治理提供了新的技术路径。这一成果不仅有助于解决当前水处理技术中存在的问题，也为进一步研究光催化剂的性能提升和应用拓展提供了重要的参考。