新型Bi/Bi12GeO20/CTS复合材料通过协同吸附与光催化实现高效Cr(VI)还原的电子转移增强机制

为解决工业废水中高毒性Cr(VI)难降解、传统光催化剂效率低且回收困难等问题，研究人员通过溶剂热法合成Bi/Bi12GeO20/CTS复合材料。该材料利用Bi的表面等离子体共振效应（SPR）增强光吸收，结合壳聚糖（CTS）的吸附功能，实现Cr(VI)还原效率达81%，循环稳定性达94.3%，为水污染治理提供了新型非贵金属催化剂设计思路。

　　

铬（Cr）是工业废水中常见的重金属污染物，其中六价铬（Cr(VI)）因其高毒性和强迁移性被列为致癌物质。传统处理方法面临催化剂效率低、稳定性差、回收困难等挑战。针对这一难题，西安建筑科技大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表论文，设计了一种兼具吸附与光催化功能的Bi/Bi₁₂GeO₂₀/CTS三元复合材料，通过表面修饰和载体优化实现了Cr(VI)的高效转化。

研究采用溶剂热法在Bi₁₂GeO₂₀表面沉积金属铋（Bi），利用X射线衍射（XRD）和紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）证实了Bi的等离子体共振效应（SPR）可拓宽材料的光响应范围至可见光区。通过电化学阻抗谱（EIS）和密度泛函理论（DFT）计算，发现Bi的引入使电子迁移电阻降低60%。壳聚糖（CTS）的负载不仅解决了粉末催化剂回收难题，其丰富的氨基（-NH₂）还能通过静电作用预富集Cr(VI)，提升局部反应浓度。

结构表征
XRD图谱显示Bi/Bi₁₂GeO₂₀成功保留了Bi₁₂GeO₂₀的立方晶相（PDF#77-0556），同时出现Bi的特征峰（PDF#85-1329）。透射电镜（TEM）观察到Bi纳米颗粒均匀分布在Bi₁₂GeO₂₀表面，形成紧密异质结。

性能优化
在pH=2条件下，Bi/Bi₁₂GeO₂₀（Bi负载量5wt%）的Cr(VI)还原效率达81%，是纯Bi₁₂GeO₂₀（13%）的6.2倍。CTS的引入使催化剂可通过简单过滤回收，5次循环后活性仍保持94.3%。

机制解析
DFT计算表明，Bi的费米能级位置促进光生电子（e^-）向Cr(VI)转移。原位红外光谱捕获到反应过程中生成的Cr(III)-OH中间体，证实还原路径为：Cr(VI)→Cr(III)→Cr(OH)₃沉淀。

该研究创新性地将贵金属替代材料Bi与生物聚合物CTS结合，通过SPR效应和载体协同作用突破了传统光催化剂的局限性。研究成果为工业废水处理提供了兼具高效性、稳定性和经济性的解决方案，尤其适用于电镀、皮革加工等含铬废水的高效净化。