卤素阴离子对Bi0/Bi5O7I缺陷纳米光催化剂可见光驱动催化效率的影响

《Results in Chemistry》：Effect of halide counterparts on the visible light driven photocatalytic efficiency of Bi0/Bi?O?I defective nanophotocatalysts

本文针对工业印染废水中难降解偶氮染料 Acid Red 1 的污染问题，研究了卤素阴离子调控的铋氧卤化物纳米光催化剂的性能。研究人员通过水热法合成了一系列[Bi2O2]2+层状结构的BiOX催化剂，并首次在Bi5O7I中实现Bi3+向金属Bi0纳米颗粒的原位还原。结果表明，碘化物修饰的Bi5O7I具有最佳的可见光催化活性（降解率98.3%，速率常数9.38×10?4s?1），其性能优于商用P25催化剂1.67倍。该研究为设计高效太阳能驱动环境修复材料提供了新策略。

　　

纺织工业废水排放的偶氮染料对水生环境构成严重威胁，其中Acid Red 1（AR1）因其含有的偶氮键（-N=N-）结构稳定的特性，被美国环保署列为不可生物降解染料。传统的水处理技术如混凝、吸附等方法存在化学污泥产生、吸附剂再生困难等瓶颈。可见光驱动的光催化技术能够将有机污染物彻底矿化为二氧化碳和水，成为环境修复领域的研究热点。

在这项发表于《Results in Chemistry》的研究中，印度韦洛尔理工大学的Chandran Ashina和Panneerselvem Sathishkumar团队系统探讨了卤素阴离子（Cl、Br、I）对铋氧卤化物（BiOX）纳米光催化剂结构和性能的调控规律。研究人员通过水热法合成了一系列[Bi₂O₂]²⁺层状结构的纳米材料，并在Bi₅O₇I的制备过程中意外发现了Bi³⁺向金属Bi⁰纳米颗粒的原位还原现象。

研究采用多种表征技术：X射线衍射（XRD）分析晶体结构，拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）确认表面缺陷，透射电子显微镜（TEM）观察形貌特征，比表面积分析（BET）测定孔隙结构，紫外-可见光谱评估光学性能，光电化学测试分析电荷分离效率。

光催化性能研究显示，不同卤素修饰的催化剂对AR1的降解效率依次为：Bi₅O₇I（98.3%）> Bi₄O₅Br₂（61%）> Bi₂O₃（24%）> Bi₃O₄Cl（16%）。优化实验表明，在催化剂浓度0.5 g/L、AR1浓度5×10^?5M条件下，Bi₅O₇I的降解速率常数达到9.38×10^?4s^?1，较商用P25提高了1.67倍。值得注意的是，AR1在12分钟内即可实现完全脱色。

通过自由基捕获实验，研究人员明确了超氧自由基（O₂^•?）和空穴（h⁺）是降解过程的主要活性物种。高分辨质谱（HRMS）分析揭示了AR1的矿化路径：首先发生偶氮键断裂生成中间体A1（m/z=485），随后通过脱磺酸化和开环反应最终转化为CO₂和H₂O。

材料表征结果证实，Bi₅O₇I具有独特的缺陷结构：TEM显示存在平均尺寸5.5 nm的金属铋纳米颗粒，其晶面间距为0.27 nm；XPS和拉曼光谱证实了氧空位和碘空位的存在；BET分析表明材料具有多级孔结构（1.5-5 nm）。这些结构特征共同作用，使材料带隙降至2.7 eV，显著提升了可见光吸收能力。光电测试表明，金属铋作为电子捕获中心，有效抑制了光生载流子的复合。

该研究成功构建了具有卤素调控功能的缺陷型铋基光催化剂，揭示了卤素阴离子通过影响材料能带结构、缺陷浓度和形貌特征来调控光催化性能的机制。Bi₅O₇I中独特的金属铋/氧空位协同作用为设计高效太阳能转化材料提供了新思路，在工业废水处理领域具有重要应用前景。