通过原位方法制备花状MgIn2S4/BiOBr Z型异质结构，用于有机污染物光降解

《Journal of Cleaner Production》：Fabrication of a flower-like MgIn 2S 4/BiOBr Z-scheme heterostructure via an in situ route for organic pollutant photodegradation

　　

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  通过在MgIn₂S₄上原位生长BiOBr，构建出了类似花朵结构的MgIn₂S₄/BiOBr Z型异质结。
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  10%-MIS/BOB在不同的水环境和pH条件下，对四环素和罗丹明B具有出色的光降解性能。
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  通过DFT计算、UPS分析、ESR检测、自由基捕获实验以及电化学表征，明确了该Z型结构中的电荷转移路径。
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  较强的内建电场有助于促进电荷分离。

引言

近年来，药物污染物和合成染料的大量排放造成了严重的生态破坏，对全球生态系统健康和人类健康构成了威胁。面对日益严峻的环境问题，亟需开发先进的处理技术，以有效去除四环素和罗丹明B等难以分解的水生污染物。在各种修复方法中，光催化降解因其环保性、低成本以及优异的降解效果而备受关注。然而，要设计出兼具高效性与长期稳定性的光催化系统，以实现彻底且可持续的污染物去除，仍然面临诸多挑战。

BiOBr因其合适的能带间隙、优异的化学稳定性、环境友好性以及强大的氧化能力，成为一种极具潜力的光催化材料（Cao等人，2022；Deng等人，2024）。该材料具有独特的萤石状结构，由[Bi₂O₂]²⁺层与沿[001]方向分布的溴离子交替构成，范德华力使其结构稳定，这种结构有助于实现有效的电荷载体分离，从而提升光催化活性。不过在实际应用中，BiOBr存在氧化还原电势不足以及光生电子和空穴快速复合等问题。

为克服这些缺陷，构建Z型异质结被视为一条有效策略。这种结构能够有效分隔光生电荷载体，同时理论上还能保持其较高的氧化还原能力。选择具有匹配能带结构的半导体材料与BiOBr形成Z型异质结，不仅可以扩大光的吸收范围，还能保持有效的电荷分离，进而显著提升整体光催化性能。

在各类可见光响应催化剂中，MgIn₂S₄因其独特的层状结构、适宜的能带间隙以及优异的光催化性能而受到广泛关注（Zhang等人，2025；Guo等人，2019；Li等人，2024a；Zhou等人，2025a）。此外，BiOBr和MgIn₂S₄的固有能带结构都非常适合形成高效的Z型异质结。

本研究通过将BiOBr纳米片原位生长在具有三维花状结构的MgIn₂S₄微球上，成功制备出一种新型的Z型异质结。研究人员对该异质结的化学成分、形态、晶体相、光吸收特性以及光电化学性质进行了全面研究。为阐明MIS/BOB异质结中的电荷转移机制及结构与性能之间的关联，还采用了能带结构分析、自由基淬灭实验、X射线光电子能谱分析以及理论计算等方法进行深入研究。

章节摘要

实验部分

关于材料表征、催化剂的可回收性与稳定性评估、光催化降解中间体的鉴定以及这些中间体的生态毒性评价的详细方法，均已在补充材料中给出。

表征分析

通过透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察了所制备的MgIn₂S₄、BiOBr以及10%-MIS/BOB的形态。如图2a所示，纯MgIn₂S₄呈现出由纳米片构成的花状结构，而BiOBr则呈纳米片结构（图2b）。有趣的是，当MgIn₂S₄与BiOBr结合后，BiOBr纳米片会包裹在花状MgIn₂S₄的表面，形成三维的花状簇结构（图2c）。这种结构有助于促进BiOBr与MgIn₂S₄之间的紧密接触，

结论

本研究通过简单的合成方法制备出了Z型结构的MIS/BOB异质结。与纯MgIn₂S₄、纯BiOBr以及二者简单混合的材料相比，优化后的异质结对四环素和罗丹明B的光催化降解效率有了显著提升。这一性能提升得益于Z型结构所带来的电荷载体更快分离以及更强的氧化还原能力。此外，循环稳定性测试和不同pH条件下的活性测试也表明

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本项工作得到了以下机构的资助：国家自然科学基金联合基金（编号U24A2070）、国家自然科学基金（编号52402363、52272086）、山东省重点研发计划（2026CXPT213）、山东省泰山学者计划（编号tsqn202211178）以及山东省自然科学基金（编号ZR2025MS211、ZR2022QB084）。

Jingyi Li|Huanli Wang|Jingchuan Fu|Chenyu Zhu|Ting Liu|Wei Xu|Huawei Zhang