通过设计薄层结构来调节表面电荷转移，从而实现O?的吸附和活化，进而促进在Bi?MoO?上进行深度NO氧化反应

光催化氧化氮氧化物（NO?）技术是环境治理的重要方向，但传统催化剂因电荷分离效率低和副产物毒性高而受限。本研究通过引入CTAC导向剂，成功制备了二维薄层Bi?MoO?纳米片（BMO-4），其NO氧化效率达45.3%，为传统块状材料的5.5倍，且NO?生成率降低至13.4%。机理研究表明，薄层结构通过增强表面电荷转移调控，促进O?定向活化生成活性氧物种（•O??和1O?），抑制电荷复合，显著提升催化性能。

　　氮氧化物（NOx）的光催化氧化是一种在环境保护和绿色可持续发展中具有巨大潜力的技术。然而，由于光催化剂在结构设计方面的不足，导致NO和O?的激活效率较低，因此其实际应用仍受到一定限制。本研究通过在合成过程中引入十二烷基三甲基氯化铵（CTAC），成功制备出一种二维薄层结构的Bi?MoO?（BMO）材料，这种结构能够有效调节表面电子结构，增强光吸收能力以及NO和O?的激活效果。实验结果显示，这种薄层BMO纳米片的NO氧化效率达到了45.3%，是传统块状BMO（8.2%）的5.5倍。同时，其在NO??/NO??生成选择性方面表现出色，达到86.6%，远高于块状BMO的60.5%。此外，该材料显著降低了有毒副产物NO?的生成（13.4% vs. 39.5%），表明其在NOx去除方面的性能优势。

NOx主要来源于汽车尾气和化石燃料的燃烧，对人类健康和生态环境造成了严重危害。半导体光催化技术因其环境友好和低能耗的特点，近年来在去除空气污染物方面受到了广泛关注。高效光催化剂的开发是推动光催化技术在空气污染治理中应用的关键因素之一。铋基材料由于其独特的晶体结构、多样的组成、丰富的原子配位以及可调的带隙结构，表现出优异的可见光响应和催化活性。在各种铋基光催化剂中，Bi?MoO?作为一种典型的Aurivillius相材料，因其适中的带隙和层状晶体结构而被广泛研究。然而，大多数块状Bi?MoO?光催化剂的载流子分离效率较低，且快速的电子-空穴复合以及有毒副产物的生成严重抑制了NOx的深度转化效率。

考虑到层状Bi?MoO?光催化剂层间存在较弱的范德华力，容易发生剥离，从而形成单层或少层结构，近期的研究重点逐渐转向开发薄层Bi?MoO?光催化剂。二维薄层结构的Bi?MoO?材料相较于对应的块状材料，具有更大的比表面积和丰富的表面不饱和原子，从而增强了光吸收能力。此外，由于薄层材料的迁移距离仅为原子厚度，其内部载流子迁移所需时间远低于块状材料。因此，二维薄层Bi?MoO?材料的载流子迁移速率更快，而复合概率降低，有利于光催化反应的高效进行。尽管薄层材料在理论上具有二维开放结构的优势，但在实际制备过程中，由于溶剂蒸发或干燥阶段的毛细作用，纳米片可能会发生层间堆叠，从而导致内部表面的屏蔽效应。因此，如何有效调控薄层结构成为提升光催化性能的关键。

在本研究中，通过CTAC作为结构导向剂，成功制备出薄层Bi?MoO?纳米片。实验结果表明，BMO-4的NO去除效率为45.3%，是传统块状BMO的5.5倍。同时，BMO-4在NO?生成选择性方面表现出色，达到86.6%，显著高于块状BMO的60.5%。此外，BMO-4在有毒副产物NO?的生成率方面也明显优于块状BMO（13.4% vs. 39.5%）。通过实验表征和密度泛函理论（DFT）模拟，研究发现薄层Bi?MoO?能够促进O?分子的吸附，并诱导形成超氧自由基（•O??）和单线态氧（1O?）。这些活性氧物种在光催化NO氧化过程中起着关键作用，是影响催化效率和选择性的主要因素。

通过电子自旋共振（ESR）分析、活性氧物种淬灭实验以及原位漫反射红外光谱（DRIFTS）技术，系统揭示了光催化NO反应过程及性能提升机制。研究发现，薄层结构有助于载流子的快速迁移和分离，从而促进O?的定向活化，形成更多活性氧物种，提高NO的去除效率。此外，薄层结构还通过快速的NOx质量传输和载流子分离，进一步增强了光催化氧化过程的效率。该研究为光催化过程中O?的活化提供了新的思路，并提出了一个有效的活性氧生成策略，有助于实现高效且环境友好的NO光催化氧化技术。

为了进一步探究CTAC对Bi?MoO?微观结构的影响，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对BMO和BMO-4进行了表征分析。结果表明，BMO由典型的二维纳米片组成，这些纳米片相互交叉生长。而BMO-4的纳米片尺寸更大，分布更均匀，且单片厚度显著减少。此外，通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察到，BMO和BMO-4的晶格间距为0.274 nm，对应于Bi?MoO?的（002）晶面。通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析，发现CTAC的加入虽然未改变Bi?MoO?的晶体相，但导致了晶面衍射峰的变宽和强度减弱，表明CTAC对Bi?MoO?的结晶性有一定影响。XPS结果进一步揭示了BMO-4中Bi、Mo和O元素的结合能发生偏移，表明CTAC处理后，材料的电子结构发生了变化，促进了部分电荷转移。

为了评估光催化活性，采用连续流动反应器系统在常温下对NO进行了去除实验。结果表明，BMO-4在30分钟内表现出显著的NO去除能力，其去除效率达到45.3%，远高于传统块状BMO。通过活性氧捕获实验，发现•O??和1O?是BMO-4光催化NO氧化过程中的关键活性物种，而非•OH。此外，通过改变反应条件（如无水或无氧环境），发现O?在NO去除过程中起到了主导作用，进一步支持了上述结论。

进一步通过原位DRIFTS技术对NO的吸附和转化过程进行了监测。结果表明，BMO-4在NO转化过程中表现出更显著的物种变化，表明其在吸附阶段与反应物之间具有更强的相互作用。此外，通过DFT计算，分析了BMO和BMO-4在电子结构方面的差异，发现BMO-4的电子态分布更为密集，有利于表面电荷转移的调整。BMO-4的表面电势更负，表明其更有利于电子从体相迁移到表面，从而促进载流子分离和表面氧化还原反应。

本研究还通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对BMO和BMO-4的厚度变化进行了详细分析。结果表明，CTAC的加入显著降低了Bi?MoO?纳米片的厚度，使其更薄，更有利于光吸收和反应进行。同时，通过氮气吸附-脱附实验，发现BMO的比表面积（BET）为8.7 m2/g，而BMO-4的比表面积为3.8 m2/g，说明CTAC的加入虽然提高了纳米片的表面活性，但也导致了其孔体积的减少。这种现象可能与纳米片在干燥过程中的堆叠有关，从而影响了其在BET测试中的表现。

在实际应用中，光催化剂的稳定性和循环性能也是重要考量因素。通过多次循环测试，发现BMO-4在3个循环周期内仍保持较高的NO去除效率，表明其具有良好的稳定性。此外，长时间反应后，BMO-4的NO去除效率略有下降，可能与产物在催化剂表面的累积有关。然而，其去除效率仍远高于传统块状BMO，说明薄层结构在提升光催化性能方面具有显著优势。

综上所述，本研究通过CTAC辅助自组装方法成功制备出二维薄层Bi?MoO?纳米片催化剂。CTAC中的Cl?和CTA?离子有效防止了Bi?MoO?纳米片的聚集，从而形成了更薄的层状结构。这种结构不仅促进了光生载流子的分离，还增强了表面氧化还原反应，有助于形成更多的活性氧物种，从而显著提升了光催化性能。此外，BMO-4在NO去除效率和选择性方面均优于传统块状材料，为实现高效且安全的NO光催化氧化技术提供了新的思路。该催化剂设计策略兼顾了效率与环境安全性，为新一代智能大气净化系统的开发提供了关键技术支持，特别是在复杂工作环境如城市隧道中的连续NOx处理方面展现出良好的工业应用前景。