山东大学何作利教授团队《Appl. Surf. Sci.》：TiB2-TiO2@g-C3N4核壳结构高效光催化降解有机污染物

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半导体光催化材料具有效率高、能耗低的特点，在有机废水处理中得到了广泛的应用。g-C₃N₄是一种典型的聚合物半导体，其结构中的CN原子以sp2杂化形成高度离域的π共轭体系，可吸收太阳光谱中波长小于475nm的光，常被设计和开发来降解有机污染物。但是单一组分g-C₃N₄存在量子效率低、光载流子复合快、可见光吸收低的缺点。TiO₂/g-C₃N₄异质结构能有效地增加电子/空穴对的分离和减少载流子的复合。选择合适的助催化剂优化TiO₂/g-C₃N₄异质结构是提高光催化性能的关键。TiB₂具有良好的导电性，而且在高温煅烧可制备B-TiO₂，是一种优异的制备催化剂候选材料。

近日，山东大学何作利教授团队在Applied Surface Science上发表了题为“In-situ construction of core-shell structured TiB₂-TiO₂@g-C₃N₄ for efficient photocatalytic degradation”的论文（DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.152201），于慧君博士与徐莎莎硕士为本文的共同第一作者。为了提升TiO₂/g-C₃N₄异质结构的光电子分离和传输的效率，本文通过构建快速电子传输通道策略合成具有核-壳结构的TiB₂-TiO₂@g-C₃N₄异质结光催化剂。与纯g-C₃N₄相比，该复合材料表现更优的罗丹明B (RhB)和4-氯苯酚(4-CP)的光降解性能。

首先，通过简单一步煅烧法成功地在TiB₂颗粒表面原位制备一层TiO₂（TiB₂-TiO₂核），同时表面生长g-C₃N₄层，构建具有核-壳结构的TiB₂-TiO₂@g-C₃N₄材料。XRD衍射图显示（图1a）在TiB₂颗粒表面部分TiB₂原位氧化成金红石TiO₂相，因此催化剂内残留的“TiB₂”成为促进光催化的光载流子通道。1.0-TBCN的高分辨TEM图（图1b-d）显示的晶格条纹间距为0.20 nm，对应于TiB₂的(101)平面。此外，0.34 nm和0.67 nm的晶格条纹间距分别对应于g-C₃N₄的(002)和(001)平面。其次，通过光照下降解RhB和4-CP考察材料的光催化性能，其中1.0-TBCN的光催化性能最好，100 min后对RhB的去除率接近100%，分别是TiB₂-TiO₂和g-C₃N₄的12.5和1.35倍。而且相同条件下经5次循环后，该材料对RhB仍能保持较高的去除效率，且没有明显下降。这是由于TiB₂-TiO₂内TiB₂的存在，作为光生载流子的传输通道，有效地加速了光生电子和空穴的迁移，促进光生载流子的分离。同时，包覆在TiB₂-TiO₂核上的g-C₃N₄形成Z型异质结，阻碍了光生电荷的复合，从而延长了电子寿命。此外，TiB₂还可以作为电子的受体形成•O^2-，参与降解RhB，主要活性物质还有•OH和h⁺。该方案适用于构建具有快速电子传输通道的高性能的异质结光催化剂。

图1 (a) 样品的XRD衍射图. (b-d) 1.0-TBCN样品的高分辨TEM .

图2 样品的光催化降解性能：（a） RhB浓度随光辐照时间的变化曲线和（b）对应动力学拟合曲线；（c）4-CP 浓度随光辐照时间的变化曲线和（d）对应动力学拟合曲线；（e）不同样品降解RhB和4-CP的表观速率常数k (10^-3 min^-1)；（f）1.0-TBCN在光降解RhB循环反应中的稳定性。

图3 （a）样品的UV-vis吸收光谱及（b）样品相应的带隙值；（c）光催化降解RhB 过程中自由基捕获剂对降解效率的影响；（d）比较活性物质（•OH, •O^-2, h⁺ and e^-）对RhB的降解率的影响；（e）DMPO-·O₂^- 和（f）DMPO-·OH的EPR光谱

图4 核壳结构的TiB₂-TiO₂@g-C₃N₄催化剂电荷分离与转移示意图

致谢

本研究得到了江苏省自然科学基金青年基金（No. BK20200237），山东省青年泰山学者计划（No. 201909026），山东大学青年交叉科学创新群体项目（No. 2020QNQT014）等多个项目的支持。

作者简介

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何作利，2019年6月起任山东大学环境科学与工程学院研究员，博士生导师，山东大学未来青年学者计划入选者，山东省青年泰山学者，中国感光学会-光催化专业委员会会员、中国化学学会会员。近年来围绕催化剂合成、光催化降解、柔性纤维制备、污染物监测与控制等方面开展了大量研究工作，为解决有机污染物降解、绿色能源生产、功能化复合纤维、传感检测技术等问题提供了理论和技术基础。申请人迄今为止发表国际期刊论文50余篇，以第一作者或通讯作者在Nano Energy、Appl. Catal. B: Environ.、Small、ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon、Nanoscale、Appl. Mater. Today、J. Hazard. Mater.、Solar RRL、Appl. Surf. Sci.等国际著名期刊发表学术论文20余篇，其中SCI检索20篇，高被引论文2篇，论文被引总次数1700余次，其中最高单篇被引258次，申请国家发明专利5项（已授权2项），参与项目获陕西省高等学校科学技术一等奖2项。课题组设备齐全（具有纳米材料合成、纤维合成、材料表征、光催化性能分析、传感性能测试相关设备），经费充足，常年招收环境、材料等相关背景的博士后。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433221032293

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