表面活性剂辅助的BiVO4纳米颗粒溶胶-凝胶合成方法，用于光催化、电化学储能和电荷存储

《Inorganic Chemistry Communications》：Surfactant assisted sol gel synthesis of BiVO4 nanoparticles for photocatalysis, electrochemical energy storage and charge storage

　　

迪帕·N·巴德兰（Deepa N. Bhadran）|A.K. 斯里莱克希米（A.K. Sreelekshmi）|V. 拉贾（V. Raja）|R.S. 里马尔·伊萨克（R.S. Rimal Issac）|罗尚·乔斯（Roshan Jose）|杰米尼·乔斯（Jemini Jose）|苏金·P·乔斯（Sujin P. Jose）|R.G. 阿比拉什·库马尔（R.G. Abhilash Kumar）|D. 萨詹（D. Sajan）

印度喀拉拉邦蒂鲁瓦南塔普兰市喀拉拉大学妇女政府学院研究中心物理系，邮编695 014

摘要

通过一种环保的溶胶-凝胶方法制备了双功能钒酸铋（BiVO?）纳米颗粒，该方法使用聚维吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂。对纳米颗粒的表征结果在形态、结构、表面和光学性质四个不同分析程序中都是一致的。所有结果表明，BiVO?纳米颗粒在结构上处于纳米尺度。与未使用PVP的BiVO?纳米颗粒相比，使用PVP作为稳定剂的BiVO?纳米颗粒表现出更好的光催化和电化学性能。含有2 wt% PVP改性的BiVO?纳米颗粒在可见光刺激下150分钟内降解了95.73%的结晶紫染料，其性能是未改性BiVO?（降解率为52.03%）的1.83倍。对于能量存储应用，含有3 wt% PVP改性的BiVO?纳米颗粒提供了非常高的比电容（1333.88 F g?1），显示出这些材料良好的电荷存储能力。PVP的精确添加使得BiVO?纳米结构的双功能性能得以调控。这些结果证明了它们作为成本效益高的材料，在可见光驱动的环境修复和高性能能量存储应用中的潜力。

引言

21世纪的特点是技术需求的指数级增长，这需要采取一种双重策略，在维持高生活水平的同时向低影响的全球能源系统转型[1]。快速的工业化加剧了全球能源消耗，加速了化石燃料的枯竭，并导致了严重的环境污染。为应对这些相互关联的挑战，迫切需要高效、低影响的能源存储和环境修复方法[1]。

全球向间歇性可再生能源（如太阳能和风能）的转型需要先进的能源存储解决方案，以确保电网的可靠性和可持续的基础设施[2]、[3]、[4]。同时，光催化利用半导体将有机污染物氧化为无害产物，为环境修复提供了有前景的途径。虽然像TiO?这样的传统材料稳定且无毒，但它们的宽带隙限制了它们只能在紫外线（UV）光谱范围内发挥作用，仅利用了可用太阳能的一小部分[5]。在能源存储领域，基于碳纳米管或石墨烯的电化学双层电容器（EDLCs）具有高功率密度和长循环寿命，但它们的理论比电容较低（<250 F g?1）[6]、[7]、[8]、[9]。

金属钒酸盐（MVO?；M = Bi、Ag、Zn等）因其可调的窄带隙（2.0–2.8 eV）而成为有吸引力的候选材料，这使得它们能够高效地吸收可见光[11]。其中，单斜相钒酸铋（BiVO?）因其杂化的O2p-V3d轨道和VO?四面体单元而特别受到关注，这些结构有助于有效的电荷转移和可见光驱动的氧化还原反应[12]。最近的研究表明，BiVO?在降解甲基蓝和罗丹明B等有机染料方面表现出有效性，其性能显著受到形态（例如棒状、花状或分层结构）和合成参数（如温度和表面活性剂辅助）的影响[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。此外，基于铋的材料具有高的电化学稳定性和伪电容特性，使其适用于先进的超级电容器技术[23]、[24]。钒酸铋最近因其结合了钒和氧化铋的特性以及与廉价、环保的合成方法的兼容性而受到关注[25]、[26]。在不同的多形体中，单斜相表现出更好的电化学性能，这体现在其高的固有电容和优异的循环稳定性上[27]。

尽管BiVO?具有潜力，但通过传统的溶胶-凝胶或水热方法制备电极的研究仍然相对有限，报道的电容值通常在404 Fg?1左右[28]。虽然像SILAR这样的技术产生了更高的电容值，但仍明显需要可扩展、成本效益高的合成路线来优化材料的多功能性。最近的进展突显了改性BiVO?纳米杂化物的潜力，包括共掺杂策略和复合形成，以增强光催化效率和电化学传感能力[29]。尽管已经分别报道了PVP辅助合成和基于BiVO?的应用，但在理解这些性质的协同优化方面仍存在关键差距[30]。现有文献通常将PVP视为一种用于扩大物理表面积的通用表面活性剂；然而，本研究独特地建立了在溶胶-凝胶BiVO?框架内的浓度依赖性PVP优化策略。与以往的工作不同，本研究通过相关的结构、光学和电化学调控同时提升了光催化和超级电容器性能。这种方法建立了一个双功能优化框架，为多功能BiVO?材料的设计提供了新的见解。

在这项工作中，我们报道了利用聚维吡咯烷酮（PVP）作为结构导向剂通过快速溶胶-凝胶方法合成BiVO?纳米结构。与以往的研究不同，我们关注的是PVP如何通过优化晶体域和表面缺陷化学来靶向双功能性能，而不仅仅是物理表面积。这种方法旨在同时提高电化学存储容量和光催化降解效率，从而在这两个传统上不同的领域之间创造了核心的创新性。结果强调了PVP辅助的BiVO?作为多功能平台的潜力，为可持续能源和环境修复提供了独特的优化框架。

部分摘录

BiVO?纳米颗粒的合成

前体物质五水合硝酸铋（Bi(NO?)?·5H?O，Sigma Aldrich，纯度99.9%）和钒酸铵（NH?VO?，Sigma Aldrich，纯度99%）均为分析级，在用于PVP环境中制备BiVO?纳米颗粒之前无需额外纯化。在一个典型的实验中（见图1），0.1 mol的Bi(NO?)?·5H?O溶解在40 mL的2 M HNO?（溶液A）中。0.1 mol的NH?VO?溶解在70 mL的热水（75°C）中

X射线衍射研究

X射线衍射（XRD）分析用于确定合成的BiVO?纳米颗粒的晶体相和结构特性。图2所示的BiVO?的XRD图谱表明，它具有基于JCPDS卡片编号14–0688的单斜结构。BiVO?纳米颗粒的识别峰位于18.70、18.98、28.95、30.53、34.53、35.23、39.80、42.48、46.72、47.28、50.31和53.29°，分别对应于晶体平面（110）、（011）、（121）、（040）、（200）、（002）、（211）、（051）、（240）

结论

通过简单的PVP辅助溶胶-凝胶方法合成的纳米颗粒表现出单斜结构。BiVO?的结构、形态、表面和光学表征表明，纳米结构BiVO?的性质取决于PVP的浓度。BiVO?的多功能特性在很大程度上受到合成过程中PVP含量的影响，其掺入增强了BiVO?的可见光光催化活性，优于不含PVP的样品。

CRediT作者贡献声明

迪帕·N·巴德兰（Deepa N. Bhadran）：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析。A.K. 斯里莱克希米（A.K. Sreelekshmi）：研究、正式分析、数据管理。V. 拉贾（V. Raja）：可视化、验证、研究、正式分析、数据管理。R.S. 里马尔·伊萨克（R.S. Rimal Issac）：可视化、验证、研究、正式分析、数据管理。罗尚·乔斯（Roshan Jose）：可视化、验证、研究、正式分析、数据管理。杰米尼·乔斯（Jemini Jose）：可视化、验证、研究、数据管理。苏金·P·乔斯（Sujin P. Jose）：撰写——原始内容

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