氮磷共掺杂石墨烯量子点/Bi5O7I复合材料的构筑及增强的光催化降解性能

摘要

碘氧铋(BiOI)半导体光催化剂具有独特的层状结构与宽的光吸收范围,在光催化降解污染物方面表现出较好的催化活性.然而,较窄的带隙加快了光生电子空穴对的复合,大大限制了BiOI光催化剂的发展应用.研究表明,通过富铋策略调控卤氧铋材料中的卤素含量,可以实现对其能带结构的可控调控.本文通过构筑氮磷共掺杂石墨烯量子点/Bi5O7I(NPG/Bi5O7I)复合光催化材料,不仅提高了Bi5O7I材料对可见光的吸收能力,同时增大了光生电子空穴对的分离效率,显著提升了NPG/Bi5O7I复合材料的光催化降解性能.本实验通过简单的离子液体辅助溶剂热方法合成了NPG/Bi5O7I复合光催化材料.采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)等表征手段证明已经成功地制备了NPG/Bi5O7I复合材料.同时,以盐酸四环素(TC)和恩诺沙星(ENR)为目标污染物探究了所制备NPG/Bi5O7I材料的光催化活性.实验结果表明,在相同的实验条件下,相对于Bi5O7I纳米棒,NPG/Bi5O7I复合材料具有更高的光催化活性.光照120 min后,相比于Bi5O7I单体材料,NPG/Bi5O7I复合材料对TC的去除率提高了54.4％,ENR的去除率则提高了约54.9％.紫外可见漫反射(DRS)、稳态荧光(FL)、光电流和阻抗(EIS)结果表明,NPG的引入能够显著拓宽Bi5O7I材料的光吸收范围,提高材料光生载流子的分离效率,抑制其重组,大大提升材料的光催化降解活性.电子顺磁共振(ESR)、X射线光电子能谱分析(XPS)和自由基捕获实验结果进一步验证了NPG/Bi5O7I复合材料光催化性能提高的可能机制.当可见光照射时,Bi5O7I价带上的电子被激发跃迁至导带并在价带留下空穴;跃迁至导带的光生电子则迅速从Bi5O7I转移到NPG,从而有效地抑制了光生电子空穴对的重组.随着光照时间的延长,聚集在NPG上的电子将O2还原为?O2–,产生的?O2–进一步将有机污染物降解为小分子无机物.与此同时,Bi5O7I价带上的空穴具有极强的氧化能力,可以直接将目标污染物矿化降解.