超声驱动S型g-C3N5/Bi4Ti3O12异质结增强压电催化降解有机染料机制研究

针对工业废水中有机染料难降解问题，浙江师范大学团队设计出S型g-C3N5/Bi4Ti3O12异质结压电催化剂。通过一步煅烧法优化制备工艺，该复合材料在超声辅助下对RhB的降解速率常数达1.15 h?1，较纯Bi4Ti3O12提升8.2倍。研究揭示了界面电场协同能带弯曲的电荷分离机制，为高性能压电催化剂设计提供新范式。

　　

随着工业化进程加速，有机染料污染已成为威胁水生态安全和人类健康的重大环境问题。传统处理方法存在成本高、易产生二次污染等缺陷，而新兴的压电催化技术通过机械应力激发材料产生压电场降解污染物，展现出绿色高效的优势。然而，单一压电材料普遍存在活性位点有限、载流子复合率高等瓶颈。针对这一挑战，浙江师范大学物理化学研究所教育部先进催化材料重点实验室的研究团队创新性地构建了S型异质结压电催化剂，相关成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用一步煅烧法制备g-C₃N₅/Bi₄Ti₃O₁₂复合材料，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、压电力显微镜(PFM)等技术表征材料结构，结合紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和电化学测试分析能带结构，并采用密度泛函理论(DFT)计算验证电子转移路径。

材料制备与表征
通过熔盐法合成Bi₄Ti₃O₁₂纳米片，与不同比例g-C₃N₅前驱体复合煅烧获得系列催化剂。XRD显示复合材料同时保留Bi₄Ti₃O₁₂的层状钙钛矿结构和g-C₃N₅的(002)晶面特征峰，SEM证实g-C₃N₅均匀负载于Bi₄Ti₃O₁₂表面。PFM测试表明复合材料的压电响应强度较纯Bi₄Ti₃O₁₂提升3.7倍。

催化性能与机理
在40 kHz超声条件下，优化比例样品(CN/BTO-2)对RhB的降解效率达98%，表观速率常数较纯Bi₄Ti₃O₁₂提高8.2倍。能带分析证实g-C₃N₅的导带(-1.12 eV)与Bi₄Ti₃O₁₂的价带(2.68 eV)形成S型异质结，通过界面电场、能带弯曲和库仑作用实现电子-空穴的高效空间分离：电子富集于g-C₃N₅导带，空穴集中于Bi₄Ti₃O₁₂价带，既抑制复合又保持强氧化还原能力。

该研究首次将S型异质结策略应用于Bi₄Ti₃O₁₂基压电催化剂设计，通过能带工程和界面调控双重优化，为开发高效环境修复材料提供了新思路。研究成果对推动压电催化技术在废水处理领域的实际应用具有重要指导价值。