《Journal of Water Process Engineering》：In situ fabrication of Bi?Ti?O??/BiOCl heterojunctions with shared atomic layer for simulated wastewater treatment
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•通过室温离子交换法制备出了具有连续界面的Bi?Ti?O??/BiOCl异质结。•通过室温离子交换法制备出了具有连续界面的Bi?Ti?O??/BiOCl异质结。•该光催化剂在降解高浓度、难处理的抗生素方面表现出优异性能。引言抗生素在对抗细菌感染方面不可或缺，被广泛应用于医疗保健、
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通过室温离子交换法制备出了具有连续界面的Bi?Ti?O??/BiOCl异质结。
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通过室温离子交换法制备出了具有连续界面的Bi?Ti?O??/BiOCl异质结。
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该光催化剂在降解高浓度、难处理的抗生素方面表现出优异性能。
引言
抗生素在对抗细菌感染方面不可或缺，被广泛应用于医疗保健、畜牧业等领域。然而，由于滥用抗生素所造成的环境污染问题日益严重[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。抗生素本身具有化学稳定性，难以自然分解，从而导致其在水环境中不断积累，还可能通过食物链进入人体，威胁人类健康安全。更为严重的是，这种持续暴露会形成强大的选择压力，加速耐抗生素细菌及其相关抗性基因的出现和传播，进而威胁现代医学的根基。虽然高级氧化工艺被视为降解这类难处理污染物的有效技术手段，但由于其依赖能耗高且不经济的方法，难以大规模应用[6]、[7]、[8]。因此，开发绿色、高效且经济可行的抗生素污染物降解策略至关重要。
在此背景下，半导体光催化技术作为一种替代方案应运而生，它能够利用太阳能驱动化学反应[9]、[10]。在寻求高效光催化剂的过程中，以钛酸盐为基础的半导体，尤其是那些具有钙钛矿或类钙钛矿结构的材料，因具备出色的光催化活性而备受关注。当这些材料与Bi?O?结合时，就会形成一系列铋钛酸盐化合物，如Bi?Ti?O?2、Bi?Ti?O7和Bi??TiO??。这类材料因其不同的晶体结构和化学计量比而独具特色，而这些差异源于Bi?O?和TiO?成分的不同组合方式。正是这种结构多样性为调控它们的光催化性能提供了广阔空间[11]。Bi?Ti?O?2作为奥里维利乌斯相家族的典型代表，堪称一种天然高效的光催化剂[12]。它的独特结构特征在于：沿晶体c轴方向，负电荷的类钙钛矿结构(Bi?Ti?O??)2?层与正电荷的萤石结构(Bi?O?)2?层有序交错排列[13]。这种固有的结构极性会在材料内部产生强大的电场，该电场会将光生电子和空穴分别引导至相邻层中，有效抑制电荷复合现象。因此，Bi?Ti?O?2堪称构建更先进光催化系统的理想载体。
不过，单一组分半导体在实际应用中存在一个重大缺陷，即光生电子-空穴对会迅速发生电荷复合（通常在纳秒级别），这使得吸收的光子能量以热能形式散失，从而大幅降低量子产率。为解决这一问题，一种有效的策略就是构建半导体异质结。通过选择具有不同能带结构的材料进行组合，可以在界面处形成电场，从而为电子和空穴的迁移提供定向通道，实现有效分离[14]、[15]、[16]。异质结界面处的结合方式会显著影响载流子的迁移效率。异质结的界面能与其构成半导体的晶体结构密切相关。如果两种半导体在界面处的晶格匹配度较高，那么载流子跨界面迁移时所需要克服的能量障碍就会较小。而当两侧的界面结构几乎完全相同时，仅依靠常规的界面工程手段已难以进一步提升载流子传输效率。在本研究中，我们提出了一种新策略，即在异质结界面引入共有的原子层，即便在晶格匹配度很高的情况下也能进一步提升载流子迁移效率，进而显著提高抗生素的降解效果。
近年来，人们发现了一种简单高效的改性方法，即利用盐酸对光催化剂表面进行化学处理。例如，Luo等人证明，盐酸处理可以使g-C?N?发生Cl?掺杂，从而在能带间隙中形成受主能级，使该材料从n型半导体转变为p型半导体[17]。在铋基氧化物领域，这种方法也被用于在基底表面原位生长BiOCl。Aditya Chauhan等人通过盐酸浸渍法成功制备了BiOCl/Bi?.?Na?.?TO?异质结，该异质结在降解有机杂质方面表现出更好性能[18]、[19]。与BiOCl/Bi?.?Na?.?TO?体系相比，我们发现属于奥里维利乌斯型的Bi?Ti?O?2在界面处也存在着与BiOCl相似的Bi?O?2?层。如此高度匹配的界面有利于促进载流子在Bi?Ti?O?2/BiOCl异质结中的高效迁移。
本研究提出了一种简单有效的策略，用于制备具有共享Bi?O?2?层的高效Bi?Ti?O?2/BiOCl异质结光催化剂。在盐酸存在条件下，通过离子交换反应，BiOCl纳米晶体可以可控地原位生长在Bi?Ti?O?2表面，从而形成相应的异质结。值得注意的是，四方相Bi?Ti?O?2本身就含有与BiOCl中结构相同的Bi?O?2?层，这使得两种物质在界面处具有极高的结构兼容性，进而形成连续的界面。相比传统异质结结构，这种连续耦合的异质结具有更强的载流子迁移能力。此外，我们还系统评估了该复合光催化剂在模拟太阳光照射条件下降解多种难处理抗生素的效率，这些抗生素包括盐酸四环素、喹诺酮类药物环丙沙星以及磺胺甲噁唑，同时还研究了其光催化作用机制。
章节摘要
化学试剂
Bi(NO?)?·5H?O（Aladdin品牌，分析级，纯度≥99%）、Ti(C?H?O)?（中国国药集团生产，分析级，纯度≥99%）、NaOH（中国国药集团生产，分析级，纯度≥96%）、CH?COOH（中国国药集团生产，分析级，纯度≥99.5%）、乙二醇单甲醚（中国国药集团生产，分析级，纯度≥99%）、HCl（中国国药集团生产，分析级，浓度为36–38%）、KCI（中国国药集团生产，分析级，纯度≥99.5%）、盐酸四环素（Aladdin品牌，符合美国药典标准）、环丙沙星（Aladdin品牌，纯度≥98%）以及磺胺甲噁唑（Aladdin品牌，低纯度规格）。所有化学试剂均无需进一步纯化即可使用。
Bi?Ti?O?2与BiOCl的合成
在典型的合成过程中，首先取0.02摩尔的Bi(NO?)?
结构与微观形态
通过X射线衍射技术对经离子交换处理后的样品的晶体结构进行了分析，结果如图1所示。BTO样品呈现出四方相的奥里维利乌斯结构，其特点为沿c轴方向交替排列着类钙钛矿结构的(Bi?Ti?O??)2?层和萤石结构的(Bi?O?)2?层。在29.9°和32.8°处出现的特征衍射峰分别对应于Bi?Ti?O?2的(117)面和(201)面。而BTO/BOC样品以及BOC样品则在25.8°、33.4°等角度处出现了额外的衍射峰
结论
本研究提出了一种简单且易于控制的方法，可通过室温下的盐酸处理来原位制备Bi?Ti?O?2/BiOCl异质结。在Bi?Ti?O?2表面原位生长的BiOCl形成了独特的连续界面，该界面具有共享的Bi?O?2?晶体层，这一结构有助于促进光生电子-空穴对的分离，并加速界面处的电荷转移。因此，这种具有连续界面的Bi?Ti?O?2/BiOCl异质结光催化剂展现出了卓越的
作者贡献说明
王宏阳：负责原始稿件的撰写、研究验证、实验分析、数据整理、概念构思工作。陆成奇：负责实验分析及数据整理工作。孙鹏昌：负责实验分析工作。曹志林：负责数据整理工作。韩忠康：负责软件相关工作。沈倩红：负责稿件的审阅与编辑、研究指导以及方法设计工作。胡中原：负责研究指导工作。曹旭丹：负责研究指导工作。杨辉：负责研究指导工作。
作者贡献
本篇论文是由所有作者共同完成撰写的。所有作者均已对最终版本的论文内容予以认可。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
王宏阳|陆成奇|孙鹏昌|曹志林|韩忠康|沈倩红|胡中原|曹旭丹|杨辉
