晶格匹配的铋烯/Bi4Ti3O12异质结原位构建及其可见光催化性能增强机制研究

针对Bi4Ti3O12(BIT)光吸收不足与载流子复合快的问题，研究人员通过外延生长法构建晶格匹配的铋烯/BIT异质结。该复合光催化剂通过铋烯作为电子捕获位点，使2,4-二氯苯酚降解效率提升至纯BIT的1.6倍，ESR和能带分析揭示了载流子分离机制，为设计高效Bi基异质结提供了新思路。

　　

在水污染治理领域，氯酚类化合物(CPs)尤其是2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)的降解一直是环境科学界的难题。这类具有强毒性的有机污染物，即便在微量浓度下也会对生态系统和人类健康造成严重威胁。传统处理方法往往效率低下，而光催化技术因其绿色高效的特点成为研究热点。然而，作为明星光催化材料的钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂, BIT)却面临着可见光响应不足和光生电子-空穴对(e^--h⁺)快速复合的瓶颈问题。

江西省自然科学基金资助项目的研究团队在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》发表的研究中，创新性地采用外延生长(epitaxial growth)技术，将具有优异导电性和晶格匹配特性的铋烯(bismuthene)负载于BIT表面，构建了Bi-ene/BIT异质结光催化剂。通过熔盐法制备BIT基底后，利用溶剂热法实现铋烯的原位生长，形成稳定的界面接触。XRD和ESR表征证实了异质结的成功构建，降解实验显示最优复合样品对2,4-DCP的降解效率达到纯BIT的1.6倍。

关键技术包括：熔盐法制备BIT纳米片、PVP辅助的溶剂热外延生长、X射线衍射(XRD)物相分析、电子自旋共振(ESR)检测活性物种。研究通过能带结构分析和捕获实验，证实铋烯作为电子陷阱显著促进了载流子分离，同时拓宽了可见光响应范围。

【合成与表征】部分显示，XRD证实成功获得纯相BIT(JCPDS 35-0795)和铋烯(JCPDS 44-1246)，异质结样品同时具备两者的特征峰。HRTEM观察到清晰的晶格条纹，证实了外延生长的界面匹配特性。

【光催化性能】研究表明，Bi-ene/BIT在可见光下对2,4-DCP的降解率显著提升，动力学常数较BIT提高60%。通过苯醌和异丙醇等捕获剂实验，证实超氧自由基(·O₂^-)和空穴(h⁺)是主要活性物种。

【机理分析】部分结合Mott-Schottky测试和紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)，提出铋烯的引入形成了电子转移通道，将BIT导带的电子快速转移至铋烯，抑制了e^--h⁺复合。ESR信号证实Bi-ene/BIT在光照下产生更强的·O₂^-信号。

该研究不仅为解决BIT材料固有缺陷提供了新方案，更通过晶格匹配的异质结设计策略，为开发高效稳定的光催化体系提供了理论指导。研究证实外延生长法可有效降低界面势垒，这一思路可拓展至其他铋基材料的改性研究，对推动光催化技术在实际废水处理中的应用具有重要意义。