《Materials Today Communications》：Facile Synthesis of Bismuth-Based Photocatalysts Using Ionic Liquids for Enhanced Photodegradation of Organic Dyes
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本研究针对工业废水中有机染料难降解问题，通过离子液体辅助溶液燃烧法成功制备了BiOBr纳米光催化剂。研究系统比较了2-HEAA和2-HEAF两种燃料对材料性能的影响，发现2-HEAF合成的BiOBr(F)具有更窄的带隙（2.26 eV）和更高比表面积（6.4 m2/g），对MB和Eosin Y的降解率分别达到96.7%和87.6%。该研究为开发高效可见光催化剂提供了新策略，在废水处理领域具有应用前景。
随着工业化和城市化的快速发展，含有合成染料的工业废水已成为严重的环境污染物。这些染料结构稳定、难以自然降解，即使浓度低于1 mg/L也会造成水体着色，对水生生态系统和人类健康构成威胁。传统的物理吸附和过滤方法存在二次污染风险，而高级氧化工艺（AOPs）特别是光催化技术，因其能利用太阳能降解污染物而备受关注。
在众多光催化剂中，二氧化钛（TiO2）虽应用广泛，但其宽带隙（约3.2 eV）限制了其对可见光的利用。铋基半导体材料，特别是卤氧化铋（BiOX），因其独特的层状结构、良好的可见光响应和低毒性，成为替代TiO2的理想候选材料。其中溴氧化铋（BiOBr）因其[Bi2O2]2+层与双Br-层交替排列的结构，能形成内建电场促进光生载流子分离，表现出优异的光催化性能。
材料的合成方法对其形貌、结晶度和表面特性具有决定性影响。溶液燃烧合成法（SCS）作为一种快速、节能的制备方法，其燃料选择对产物性能至关重要。离子液体因其独特的物理化学性质，既可作燃料又可作为结构导向剂，为调控材料性能提供了新途径。
本研究采用溶液燃烧法，以两种离子液体（2-羟基乙铵醋酸盐和2-羟基乙铵甲酸盐）为燃料，成功制备了BiOBr纳米光催化剂，系统研究了燃料类型对材料结构性能和光催化活性的影响规律。
研究团队主要运用了以下关键技术方法：通过X射线衍射分析晶体结构，场发射扫描电子显微镜观察材料形貌，氮气吸附-脱附测定比表面积和孔结构，紫外-可见漫反射光谱表征光学性能，并在自制的光催化反应器中评估染料降解性能。
3.1. XRD分析
XRD图谱显示所有衍射峰均与四方相BiOBr标准卡片吻合，表明成功合成了纯相BiOBr。BiOBr(F)的衍射峰更尖锐、强度更高，表明其结晶度更好，这归因于2-HEAF燃料在燃烧过程中释放更高热量，促进了晶体生长。Scherrer公式计算显示两种样品的晶粒尺寸相近（约33纳米），晶格参数也与标准结构一致。
3.2. FTIR分析
FTIR光谱在516.63 cm-1处观察到Bi-O特征伸缩振动峰，证实了BiOBr的成功合成。在1636 cm-1和3436 cm-1处的吸收峰分别对应吸附水的弯曲振动和O-H伸缩振动。未检测到离子液体的特征峰，说明合成过程中辅助剂已被有效去除。
3.3. FE-SEM分析
FE-SEM图像显示两种样品均呈现花状分级结构，由密集堆积的BiOBr纳米片组成。BiOBr(F)的纳米片结构更均匀、有序，这得益于2-HEAF燃料更高的气体释放量和燃烧热，促进了更有效的自组装和重结晶过程。
3.4. BET和BJH表面积分析
BET测试表明，BiOBr(F)的比表面积（6.4 m2/g）和孔容（0.051 cm3/g）均高于BiOBr(A)（3.3 m2/g，0.028 cm3/g）。氮气吸附-脱附等温线呈IV型特征，具有H3型滞后环，表明存在由片状粒子聚集形成的狭缝状介孔结构。BJH孔径分布显示孔径主要在8-20纳米范围内。
3.5. 光学性能分析
UV-Vis DRS显示BiOBr(F)的吸收边（471纳米）相对于BiOBr(A)（457纳米）发生红移。Tauc图计算表明BiOBr(F)的带隙（2.26 eV）窄于BiOBr(A)（2.55 eV），这有利于增强可见光吸收。通过Mulliken电负性公式估算的能带位置显示，BiOBr(F)的导带和价带位置分别为0.54 eV和2.80 eV。
3.6. 光催化性能
3.6.1. MB和Eosin Y的光催化降解
暗吸附实验表明两种催化剂对染料的吸附可忽略不计。空白实验证实染料自身光解可忽略。BiOBr(F)对MB和Eosin Y的降解率分别达到96.7%和87.6%，高于BiOBr(A)的90%和82%。动力学分析符合准一级反应模型，BiOBr(F)的速率常数更高。
3.6.2. 操作参数对光催化性能的影响
催化剂投加量实验表明，最佳投加量为1.0 g/L，过量会导致粒子团聚和光屏蔽效应。pH值影响研究表明，MB在碱性条件下降解更好（pH=10时近100%），而Eosin Y在酸性条件下效果更佳（pH=3时97.2%），这与催化剂表面电荷和染料分子间的静电作用相关。染料浓度实验显示，浓度从10 mg/L增至30 mg/L时降解率下降，归因于中间产物竞争活性位点和光屏蔽效应。
3.6.3. proposed光催化机理
基于能带结构分析，提出了BiOBr的光催化机理：可见光照射下，BiOBr产生电子-空穴对；导带电子还原O2生成·O2-；价带空穴氧化H2O/OH-生成·OH；这些活性氧物种共同作用于染料分子，最终矿化为CO2和H2O。BiOBr(F)的窄带隙、高比表面积和良好孔结构协同促进了光催化性能提升。
3.6.4. 可重复使用性
BiOBr(F)经过五次循环使用后，光催化活性仅轻微下降，表明其具有良好的结构稳定性和可重复使用性，具备实际应用潜力。
本研究成功通过离子液体辅助溶液燃烧法合成了BiOBr纳米光催化剂，系统阐明了燃料类型对材料性能的调控规律。2-HEAF燃料因其更高的燃烧热和气体释放量，促进了BiOBr(F)形成结晶度更高、比表面积更大、带隙更窄的优化结构，从而显著提升了光催化性能。
该研究不仅证实了离子液体在调控材料结构方面的独特优势，还为设计高效可见光响应催化剂提供了新思路。BiOBr(F)在较宽pH范围内对不同类型的染料均表现出良好的降解能力，且具有优异的稳定性，在工业废水处理领域展现出广阔的应用前景。研究成果对推动绿色催化技术和可持续发展具有重要意义，为未来环境修复材料的开发提供了理论依据和技术支撑。
