碘氧化铋/还原氧化石墨烯复合材料的界面电子调控与光催化性能增强机制研究

本研究针对半导体光催化技术在环境水体污染治理中的应用瓶颈，通过回流法构建BiOI/rGO异质结构，结合DFT计算与多尺度表征技术，揭示了羟基/环氧基团取向对界面电荷转移的调控机制，证实复合材料的光催化降解效率为纯BiOI的2.5倍，为设计高效可见光催化材料提供了新策略。

　　

随着工业废水中有机污染物的大量排放，传统的水处理技术面临效率低、能耗高的挑战。半导体光催化技术利用太阳能驱动污染物降解，被视为最具潜力的环境治理方案之一。在众多光催化材料中，卤氧化铋（BiOX）因其独特的层状结构和适宜的能带特性备受关注，其中碘氧化铋（BiOI）具有最小的带隙（约1.7-1.9 eV），可有效利用可见光。然而，纯BiOI存在光生电子-空穴对复合速率快、量子效率低等瓶颈问题。

为突破这一局限，研究者尝试将BiOI与碳材料复合以提升电荷分离效率。还原氧化石墨烯（rGO）因其高比表面积、优异载流子迁移率和化学稳定性，成为理想的功能化基底。但BiOI与rGO的界面相互作用机制、官能团取向对电荷传输路径的影响，以及微观结构与光催化性能的构效关系尚不明确。

智利拉斯美洲大学的研究团队在《Results in Chemistry》发表论文，通过实验与理论计算相结合的策略，系统研究了BiOI/rGO复合材料的形成机制、电子结构调控规律和光催化性能增强原理。研究采用回流合成法构建BiOI/rGO异质结构，通过X射线衍射（XRD）、N₂吸附-脱附等温线、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）和紫外-可见漫反射光谱（DRS）等进行表征，并利用密度泛函理论（DFT）计算界面电子行为。关键实验技术包括：周期性DFT模拟（使用Quantum Espresso软件）、分子动力学模拟（GFN2-xTB Hamiltonian）、拓扑分析（QTAIM和IGMH方法）以及光催化降解实验（以甲基橙（MO）为模型污染物）。

3.1 计算结果

通过构建两种羟基取向不同的BiOI/rGO模型（Complex 1和Complex 2），DFT计算发现羟基背向BiOI取向（Complex 2）的界面距离更短（2.47 ?），带隙更小（1.31 eV），且电荷从BiOI向rGO转移更显著。电子密度差分分析显示，Complex 2中碘原子区域出现电荷耗竭，而rGO的氧原子区域出现电荷积累，表明形成了高效的电子转移通道。分子动力学模拟证实该构型在30 ps内保持稳定，拉曼振动模式分析揭示350 cm^?1处的特征峰源于BiOI氧层与rGO的耦合振动。

3.2 实验结果

XRD显示BiOI/rGO复合材料保持四方晶系结构（P4/nmm），(001)晶面衍射峰强度显著增加，表明rGO促进了该晶面的定向生长。比表面积测试表明复合材料的比表面积（8 m²/g）较纯BiOI（6 m²/g）提升有限，说明光催化性能提升主要源于电子结构调控而非比表面积因素。UV-Vis DRS证明BiOI/rGO带隙降至1.82 eV，吸收边红移至750 nm。拉曼光谱中Bi-I键振动峰（85-149 cm^?1）的消失证实了BiOI与rGO的化学耦合。

3.2.6 光催化性能测试

在可见光照射下，BiOI/rGO对甲基橙的降解效率达到纯BiOI的2.5倍，且与商用TiO₂（P25）相当。性能提升归因于：① rGO的电子受体作用抑制了电荷复合；② (001)晶面暴露增加提供了更多反应位点；③ 能带结构优化增强了可见光吸收。

本研究通过多尺度研究揭示了官能团取向对BiOI/rGO界面电子结构的调控机制，证实了羟基背向排列策略对光催化性能的增强作用。所开发的回流合成法具有低温、无表面活性剂、可规模化等优势，为设计高效可见光催化材料提供了新思路。该复合材料在有机污染物降解、抗菌涂层及环境传感等领域具有广阔应用前景，对推动太阳能驱动的环境修复技术发展具有重要意义。