光催化 || 碘掺杂Z型Bi2O2CO3/Bi2WO6光催化剂:简易合成、高效可见光光催化及光催化机理

文献介绍：   

DOI：10.1016/j.cej.2020.126327

通讯单位：湘潭大学化学学院

作者：Zhuomin Qiang（第一作者）和Taihai Li（通讯作者）

背景
半导体光催化作为最有前途的产氢和水净化途径之一，肩负着收集太阳能、光催化产氢和分解工业废水中排放的有害有机物的使命。

铋基光催化剂在可见光辐射下具有光催化活性，因为它们具有独特的能带结构和抗光腐蚀能力。但是单一的铋基光催化剂由于其光生电荷分效率差，因此需要进一步调整来改善其光催化性能。
实验思路及方法
思路：Li课题组选用铋基氧化物为光催化剂，这是由于其可见光光催化活性，具有独特的能带结构和抗光腐蚀能力。通过Z-型异质结的构建以及碘离子的掺杂来调节复合材料的电子结构和化学性质，进而表现出优异的光催化性能。

方法：作者在离子液体的辅助作用下，采用溶剂热法制备了碘掺杂的Bi₂O₂CO₃/Bi₂WO₆复合材料。
注释：S1 (BW), S2 (0.05 I-BCW), S3 (0.1 I-BCW), S4 (0.2 I-BCW), S5 (0.3 I-BCW), S6 (0.5 I-BCW)和S7 (1.0 I-BCW) 表示离子液体和Na₂WO₄·2H₂O加入的I/W的比值。此外S8、S9和S10表示纯的碘掺杂的Bi₂O₂CO₃、Bi₂O₂CO₃和0 I-BCW。
结果与讨论
结构表征：
从图1a可以看出所有制备的样品都具有完整和清晰的衍射峰，且都复合Bi₂O₂CO₃和Bi₂WO₆的衍射峰。
随着I/W的比值的增加，Bi₂O₂CO₃的衍射峰逐渐增强，但并没有其他杂峰，证实了作者成功制备了Bi₂O₂CO₃/ Bi₂WO₆复合材料。
此外，从图1b可以看出，碘离子成功掺杂入了Bi₂O₂CO₃晶体结构，同时图1c也表明Bi₂WO₆的峰偏移，表面(Bi₂O₂)²⁺与碘离子的配位作用。
图1a 样品的XRD图；（b）Bi₂O₂CO₃衍射角度的偏移；（c）Bi₂WO₆衍射角度的偏移。
图2显示所有样品的SEM图，图2a表示无离子液体合成的不规则自组装Bi₂WO₆微球，所有产物都是由各种规则纳米片组成的微球。
S5拥有大量的自组装微球和许多稀疏分布的纳米片。当离子液体的摩尔比逐渐增加时(图2a–g)，微球的表面变得更致密和粗糙。
纳米片的厚度约为20纳米。具有二维结构的Bi₂O₂CO₃和Bi₂WO₆的形成与离子液体密切相关，主要是由于离子液体中的[BMIM]⁺有机阳离子抑制晶体表面垂直方向的生长，因此得到纳米片的结构。
图2 S1 (a)、S2 (b)、S3 (c)、S4 (d)、S5 (e)、S6 (f)、S7 (g)、S8 (h)样品的SEM图和S5样品(I)的局部放大图。
光电测试：
从图3a可以看出，相比于S1和S8相比，掺杂以及异质结构建的样品即S5能够表现出较大瞬态光电流密度，这主要是由于掺杂和异质结的构建很好的抑制了光生载流子的复合。从EIS图（图3b）中可以看出S5能够表现出较小的半圆，这使得该材料更有利于电荷的传输。
图3 （a）样品的I-t曲线；（b）EIS图。
光分解水测试：
光催化产氢：25 mg样品+50 mL 10三乙醇胺水溶液，用300 W Xe灯波长大于420 nm光催化降解：50 mg样品+50 mL 20 mg L^-1 TC和RhB溶液，暗吸附30 min，用500 W Xe灯波长380-780 nm
从图4a可以看出随着I/W的比值的增加先增加光催化产氢速率先增加后减少。在额外，添加Pt的基础上其光催化活性明显增加。此外，图4b表示该复合材料的稳定性，通过5次15个小时以后该光催化剂具有较好的循环稳定性。
图4 （a）样品随时间变化的光催化析氢量；（b）光催化剂稳定性。
图5a可以看出在暗吸附下，S8基本不具有吸附性能以及弱的光催化降解性能。通过掺杂和异质结构建以后，S5的光降解效率最高，在60min以后，降解TC效率能够达到80%。同时对RhB进行了降解，
如图5b所示，S5能够表现出优异的吸附和光催化降解性能。对其降解过程进行一级动力学模拟，如图5c所示，可以看出整个光催化降解过程符合一级动力学过程， S4降解速率常数最大，之主要是由于S5的吸附性能远大于S4所导致的。
最后对其循环稳定性进行测试，如图5d所示，可以看出S5能够表现出优异的光降解稳定性。
图5 （a）光催化降解TC；（b）光催化降解RhB；（c）光催化降解RhB一级动力学模拟；（d）S5光催化降解RhB的循环稳定性。

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