西南石油大学周莹教授课题组：BN诱导BiOI富氧{110}面的暴露并增强其可见光催化氧化性能

第一作者：郑倩，曹玥晗

通讯作者：周莹

通讯单位：西南石油大学新能源与材料学院

注：此论文是“二维光催化材料”专刊邀请稿，客座编辑：电子科技大学董帆教授

引用信息

郑倩, 曹玥晗, 黄南建, 张瑞阳, 周莹. BN诱导BiOI富氧{110}面的暴露并增强其可见光催化氧化性能. 物理化学学报, 2021, 37 (8), 2009063.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202009063

Qian Zheng, Yuehan Cao, Nanjian Huang, Ruiyang Zhang, Ying Zhou. Selective Exposure of BiOI Oxygen-Rich {110} Facet Induced by BN Nanosheets for Enhanced Photocatalytic Oxidation Performance. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (8), 2009063.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202009063

主要亮点

本文基于电荷相互作用，引入表面带负电的BN纳米片诱导BiOI纳米片的暴露晶面由{001}和{110}晶面变为主要暴露{110}晶面。富含表面晶格氧原子的{110}晶面的暴露有利于反应物分子NO的吸附和进一步氧化。光催化NO氧化性能测试表明，BiOI复合BN后，在可见光下NO的去除率可达44.2%，相比于纯相BiOI (1.4%)提升接近30倍。

研究背景：意义、现状

在光催化氧化反应中，O₂因其来源广、绿色经济的特点而被广泛用作氧化剂。然而，在实际反应过程中，O₂的活化相对困难，因为O-O键的断裂需要克服较高的能量。此外，已有研究报道金属氧化物中的表面晶格氧原子可以直接参与氧化过程。并且与O₂中的O―O键断裂相比，O-金属键发生解离所需能量较低。因此，与将O₂作为氧化剂相比，表面晶格氧原子直接参与氧化反应更具有优势。基于此，本文选择光催化NO氧化反应作为模型反应，研究了表面晶格氧原子的暴露对于光催化氧化反应的影响。

核心内容

1  BiOI/BN复合光催化剂的形成机理分析

基于电荷相互作用，本文提出了BN纳米片诱导BiOI纳米片生长的机理：带负电的BN(001)表面更倾向于与带正电的BiOI(001)表面接触，从而促进富含表面晶格氧原子的(110)面暴露。首先作者构建了BiOI(001)和(110)晶面模型，如图1(a)所示。发现BiOI(001)面最外层暴露的是Bi³⁺，导致其表面显正电。然而，BiOI(110)面最外层暴露的是O原子，因此其表面显负电。另外，BN纳米片的Zeta电位测试结果为−35.2 mV，所以其表面带负电。基于这些发现，作者给出了BiOI/BN复合光催化剂的结构示意图，如图1(b)所示。

图1  (a)BiOI(001)和(110)晶面截面模型；(b)BiOI/BN纳米复合材料示意图

2  光催化氧化NO性能增强的机理分析

首先，作者通过NO吸附实验(图2(a))发现，BN纳米片诱导BiOI富氧{110}面暴露，有利于增强NO的吸附。结果表明，BN引入后，BiOI/BN-1.0:1.4复合样品对NO的吸附量几乎是纯BiOI的7倍。

接着，作者分别构建了O₂和NO在BiOI(001)和(110)面上的吸附模型，如图2(c, d)。结果表明，O₂更倾向于吸附在BiOI(001)表面，而NO更倾向于吸附在BiOI(110)表面。并且通过PDOS(图2(b))计算结果发现，NO分子与BiOI(110)表面晶格O原子结合形成O-N-O中间体，该中间体的键长和键角与NO₂分子非常相似。

图2  (a)BiOI和BiOI/BN-1.0:1.4的NO吸附性能；(b)NO在BiOI(110)表面吸附的PDOS图，黑色虚线表示费米能级；NO在BiOI (c) (001)表面；(d)(110)表面吸附的优化结构和可能的反应路径

根据实验和理论计算结果，本文提出了NO在BiOI的(001)和(110)表面有两种不同的氧化反应路径。在BiOI(001)表面上，O₂首先吸附在表面，分解成两个活性O原子，随后吸附的NO被游离的O原子氧化生成NO₂。由于O-O键的断裂需要较高的能量，因此这一过程很难发生。而在BiOI(110)表面，优先吸附的NO将与表面的晶格氧结合，直接形成NO₂，有利于NO的直接氧化。可见光催化氧化NO性能测试表明，BiOI复合BN后，NO的去除率可达44.2%，相比于纯相BiOI (1.4%)提升接近30倍。

结论与展望

本文以BiOI为模型材料，提出了一种提高材料光催化氧化性能的新策略。BN纳米片的成功复合诱导BiOI纳米片更倾向于暴露富含表面晶格氧原子的{110}晶面。富氧{110}晶面的暴露使得BiOI表面O元素含量从38.3%增加到46.6%。因此，表面吸附的NO可以与表面晶格氧原子结合，直接生成NO₂。可见光催化氧化NO性能测试表明，BiOI复合BN后，NO的去除率可达44.2%，相比于纯相BiOI (1.4%)提升接近30倍。本文通过构建2D/2D光催化剂来调控材料富氧晶面的暴露，为增强催化剂的光催化氧化性能提供了新的策略。

☎作者介绍

 周 莹 

1981年生，教授，博导。国家百千万人才工程人选，教育部青年长江学者，西南石油大学新能源与材料学院院长。主要从事能源与环境催化材料及相关原位表征技术研究。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202009063