BiOI@g-C3N4 复合光催化剂的负载依赖界面调控与可见光光催化性能

《Materials Research Bulletin》：Loading-Dependent Interfacial Regulation and Visible-Light Photocatalytic Behavior of BiOI@g-C 3N 4 Composite Photocatalysts

　　

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  通过超声剥离和水热合成构建了BiOI@g-C₃N₄异质结。
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  将剥离后的g-C₃N₄纳米片锚定在BiOI球体上，形成紧密界面。
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  BiOI@g-C₃N₄-2展现出增强的电荷分离和罗丹明B降解活性。
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  ·O₂^-被确认为罗丹明B光降解过程中的主要活性物种。

引言

随着工业染料、抗生素和其他难降解有机污染物不断排入水环境，水污染治理已成为环境功能材料领域的重要研究方向[1], [2]。半导体光催化可以利用太阳光产生光生电子和空穴，随后产生具有氧化还原活性的物种以降解有机污染物。该技术具有能耗低、反应条件温和和环境友好等优点[3]。然而，单一组分半导体光催化剂通常存在可见光利用率不足、光生载流子严重复合以及界面反应效率低等问题[4], [5]，这极大地限制了其实际应用。因此，构建高效异质结复合光催化剂以促进光生载流子的分离与迁移，是提升光催化性能的重要策略[6]。

铋氧卤化物BiOX（X = Cl、Br和I）凭借其独特的层状晶体结构和良好的可见光响应能力而受到广泛关注[7]。其中，BiOI具有较窄的带隙和较强的可见光吸收能力。其晶体结构由交替排列的[Bi?O?]2?层和I?层组成，这种内部层状结构有利于光生载流子的定向迁移[8]。Martinez-Topete等人[9]报道，BiOI的带隙通常在1.7-1.9?eV左右，使其具有优异的可见光吸收性能。Kira等人[10]进一步指出，BiOI的能带结构和层状特性使其在可见光驱动的光催化体系中具有相当大的潜力。然而，原始BiOI仍然存在光生电子-空穴对快速复合、界面电荷转移效率不足以及活性位点利用率有限的问题，其光催化性能仍有较大提升空间[11]。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种典型的无金属有机半导体，具有可见光响应、良好的化学稳定性、丰富的原料来源和可调的结构[12]。自Wang等人[13]首次报道g-C₃N₄可作为无金属可见光光催化剂用于水分解制氢以来，g-C₃N₄基光催化材料已得到广泛研究。g-C₃N₄由三嗪或七嗪结构单元组成，具有一定的π共轭结构和适宜的能带位置，可与各种半导体耦合构建复合体系[14]。然而，块状g-C₃N₄通常存在严重的层间堆叠和低比表面积的问题，导致其本征光催化活性相对较低[15]。因此，将块状g-C₃N₄剥离成纳米片结构，并将其与其他半导体耦合构建异质结，是提高其光催化性能的有效策略。

近年来，BiOI@g-C₃N₄ 复合光催化剂受到越来越多的关注，因为两种半导体之间的界面耦合可能调节光生载流子动力学。BiOI的引入有利于可见光吸收，而g-C₃N₄ 与BiOI的紧密接触在适当条件下可以影响界面载流子的分离和传输[16], [17], [18]。然而，半导体界面的形成并不一定导致光催化活性的单调提升。现有复合体系仍面临g-C₃N₄ 分散不均匀、界面接触不充分以及组成、载流子动力学与活性物种之间关系不明确等挑战 [19]。特别是，g-C₃N₄ 负载量对BiOI基复合材料界面行为和光催化响应的影响仍有待进一步研究。

基于上述考虑，本研究首先以三聚氰胺为前驱体制备了块状g-C₃N₄ ，随后通过乙二醇辅助超声剥离结合水热法构建了BiOI@g-C₃N₄ 复合材料。通过调节g-C₃N₄ 含量，系统研究了g-C₃N₄ 负载量对物相组成、微观结构、光学性质、光电化学行为以及罗丹明B降解的影响。结合Mott–Schottky测量、电化学阻抗谱、瞬态光电流响应和活性物种捕获实验，评估了半导体特性、界面载流子动力学和主要活性物种。本研究并未指定特定的电荷转移机制，而是聚焦于剥离g-C₃N₄ 在BiOI上的负载量依赖型界面调控以及在不发生过度表面覆盖的条件下实现有利界面载流子动力学的组成窗口。

章节摘要

块状g-C₃N₄的制备

将一定量的三聚氰胺（C₃H₆N₆）用铝箔包裹后置于坩埚中。将样品在管式炉中以5 °C min?1的升温速率加热至550°C，并在该温度下保持2?h。自然冷却至室温后，收集所得产物并研磨成粉末，即得到块状g-C₃N₄。

球形BiOI的制备

1-丁基-3-甲基咪唑碘（C₈H₁₅IN₂，[bmim][I]）作为碘源。首先将其在90°C水浴中加热，然后加入

BiOI@g-C₃N₄复合材料的物相组成与化学结构

为阐明所制备样品的晶体结构和化学组成，对BiOI、g-C₃N₄和BiOI@g-C₃N₄复合材料进行了XRD和FTIR分析。图1(a)展示了不同样品的XRD图谱。BiOI、BiOI@g-C₃N₄-1、BiOI@g-C₃N₄-2和BiOI@g-C₃N₄-3在2θ = 19.6°、24.3°、29.0°、31.7°、45.5°、54.8°、66.1°和75.1°处均观察到明显的衍射峰，这些峰可分别归属于

结论

• (1)
  本研究通过乙二醇辅助超声剥离结合水热法成功制备了BiOI@g-C₃N₄复合光催化剂，并系统研究了其结构组成、光电化学性质和罗丹明B降解行为。XRD和FTIR结果表明，复合材料保留了BiOI为主的四方晶体结构，同时检测到g-C₃N₄中C-N和C=N的特征振动峰，证实了

CRediT作者贡献声明

刘齐政：构思与设计。刘庆攀：形式分析，构思与设计。白竞龙：验证，监督指导，构思与设计。乔虹霞：形式分析，构思与设计。魏志强：验证，监督指导，获取资金，构思与设计。赵新源：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿撰写，可视化，验证。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金的资助（编号：52268042、52468035）。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

赵新源|魏志强|乔虹霞|白竞龙|刘庆攀|刘齐政