引入内建电场强化BIOBR/C3N5 S型异质结中光载流子分离以实现高效催化降解微污染物

游常俊 王春春 蔡铭洁 刘艳萍 竺柏康 李世杰

引用本文: 游常俊, 王春春, 蔡铭洁, 刘艳萍, 竺柏康, 李世杰. 引入内建电场强化BIOBR/C3N5 S型异质结中光载流子分离以实现高效催化降解微污染物[J]. 物理化学学报, 2024, 40(11): 240701. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407014 shu
Citation:  Changjun You, Chunchun Wang, Mingjie Cai, Yanping Liu, Baikang Zhu, Shijie Li. Improved Photo-Carrier Transfer by an Internal Electric Field in BiOBr/N-rich C3N5 3D/2D S-Scheme Heterojunction for Efficiently Photocatalytic Micropollutant Removal[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(11): 240701. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407014 shu

引入内建电场强化BIOBR/C3N5 S型异质结中光载流子分离以实现高效催化降解微污染物

    通讯作者: 刘艳萍, liuyp@zjou.edu.cn; 竺柏康, zszbk@126.com; 李世杰, lishijie@zjou.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 U1809214

    浙江省自然科学基金 LY20E080014

    浙江省自然科学基金 LTGN23E080001

    浙江省石油化工环境污染控制重点实验室开放课题 2021Y02

    舟山科技项目 2022C41011

摘要: 光催化技术在废水处理及环境治理领域展现出巨大的应用潜力,而开发高效的光催化剂则是实现这一技术广泛应用的关键。在本研究中,我们成功地设计并制备了一种新型S型BiOBr/C3N5 (BBN)异质结光催化剂用于在可见光下高效去除微污染物。系统评估了BBN材料在可见光下对四环素(TC)和萘(NAP)的光催化降解效果。结果表明,BBN-2样品表现出最佳的光催化活性,其反应速率常数为0.0139 min−1,比纯BiOBr和C3N5分别提高了0.6倍和2.8倍,这主要得益于BBN异质结具有空间分隔开的氧化还原位点以及利用内建电场作为驱动力,促进光生载流子的有效分离,从而加速微污染物的降解反应。此外,BBN-2具有卓越的抗外界环境干扰特性以及优异的稳定性能,在经过五次循环使用后,仍能保持较高的光催化活性。通过自由基活性检测实验,我们确认了超氧阴离子自由基(•O2)、空穴(h+)和羟基自由基(•OH)是参与光催化反应过程的主要活性物种。本研究为开发高效C3N5基催化体系用于环境治理开辟了一种新的思路。

English

    1. [1]

      Xu, H.; Jia, Y.; Sun, Z.; Su, J.; Liu, Q. S.; Zhou, Q.; Jiang, G. Eco-Environ. Health 2022, 1, 31. doi: 10.1016/j.eehl.2022.04.003

    2. [2]

      Li, X.; He, F.; Wang, Z.; Xing, B. Eco-Environ. Health 2022, 1, 181. doi: 10.1016/j.eehl.2022.10.001

    3. [3]

      Li, S.; Liu, Y.; Wu, Y.; Hu, J.; Zhang, Y.; Sun, Q.; Sun, W.; Geng, J.; Liu, X.; Jia, D.; et al. Natl. Sci. Open 2022, 1, 20220029. doi: 10.1360/nso/20220029

    4. [4]

      Mangla, D.; Annu; Sharma, A.; Ikram, S. J. Hazard Mater. 2022, 425, 127946. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127946

    5. [5]

      Loffler, P.; Escher, B. I.; Baduel, C.; Virta, M. P.; Lai, F. Y. Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 9474. doi: 10.1021/acs.est.2c09854

    6. [6]

      Leonel, A. G.; Mansur, H. S. Water Res. 2021, 190, 116693. doi: 10.1016/j.watres.2020.116693

    7. [7]

      Pulizzi, F.; Sun, W. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 633. doi: 10.1038/s41565-018-0238-4

    8. [8]

      Jassby, D.; Cath, T. Y.; Buisson, H. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 670. doi: 10.1038/s41565-018-0234-8

    9. [9]

      Hodges, B. C.; Cates, E. L.; Kim, J.-H. Nat. Nanotech. 2018, 13, 642. doi: 10.1038/s41565-018-0216-x

    10. [10]

      Long T.; Wang Z.; He Y.; Fang J.; Feng J.; Sun Q. J. Liaocheng Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 2023, 36, 48. doi: 10.19728/j.issn1672-6634.2023030005

    11. [11]

      Šuligoj, A.; Korošec, R. C.; Žerjav, G.; Tušar, N. N.; Štangar, U. L. Topics Curr. Chem. 2022, 380, 51. doi: 10.1007/s41061-022-00409-2

    12. [12]

      Wang, T.; Wang, H. J.; Lin, J. S.; Yang, J. L.; Zhang, F. L.; Lin, X. M.; Zhang, Y. J.; Jin, S. Z.; Li, J. F. Chin. J. Struct. Chem. 2023, 42, 100066. doi: 10.1016/j.cjsc.2023.100066

    13. [13]

      Chen, L.; A. Maigbay, M.; Li, M.; Qiu, X. Q. Adv. Powder Mater. 2024, 3, 100150. doi: 10.1016/j.apmate.2023.100150

    14. [14]

      Lee, J. H.; Hansora, D. P.; Lee, J. S. Chem 2023, 9, 1632. doi: 10.1016/j.chempr.2023.05.040

    15. [15]

      Andrei, V.; Roh, I.; Yang, P. Sci. Adv. 2023, 9, eade9044. doi: 10.1126/sciadv.ade9044

    16. [16]

      Stanley, P. M.; Haimerl, J.; Shustova, N. B.; Fischer, R. A.; Warnan, J. Nat. Chem. 2022, 14, 1342. doi: 10.1038/s41557-022-01093-x

    17. [17]

      Nikoloudakis, E.; Loxpez-Duarte, I.; Georgios Charalambidis; Ladomenou, K.; Ince, M.; Coutsolelos, A. G. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 6965. doi: 10.1039/d2cs00183g

    18. [18]

      Mateo, D.; Cerrillo, J. L.; Durini, S.; Gascon, J. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 2173. doi: 10.1039/d0cs00357c

    19. [19]

      Koya, A. N.; Zhu, X.; Ohannesian, N.; Yanik, A. A.; Alabastri, A.; Proietti Zaccaria, R.; Krahne, R.; Shih, W.-C.; Garoli, D. ACS Nano 2021, 15, 6038. doi: 10.1021/acsnano.0c10945

    20. [20]

      Moss, B.; Wang, Q.; Butler, K. T.; Grau-Crespo, R.; Selim, S.; Regoutz, A.; Hisatomi, T.; Godin, R.; Payne, D. J.; Kafizas, A.; et al. Nat. Mater. 2021, 20, 511. doi: 10.1038/s41563-020-00868-2

    21. [21]

      Goto, Y.; Hisatomi, T.; Wang, Q.; Higashi, T.; Ishikiriyama, K.; Maeda, T.; Sakata, Y.; Okunaka, S.; Tokudome, H.; Katayama, M.; et al. Joule 2017, 2, 509. doi: 10.1016/j.joule.2017.12.009

    22. [22]

      Kosco, J.; Bidwell, M.; Cha, H.; Martin, T.; Howells, C. T.; Sachs, M.; Anjum, D. H.; Lopez, S. G.; Zou, L.; Wadsworth, A.; et al. Nat. Mater. 2020, 19, 559. doi: 10.1038/s41563-019-0591-1

    23. [23]

      Lu Y.; Zou X; Wang L.; Geng Y. J. Liaocheng Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 2023, 36, 57. doi: 10.19728/j.issn1672-6634.2023040004

    24. [24]

      Jiao, L.; Jiang, H.-L. Chin. J. Catal. 2023, 45, 1. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64193-7

    25. [25]

      Jing, L. Q.; Xu, Y. G.; Xie, M.; Wu, C. C.; Zhao, H.; Wang, J.; Wang, H.; Yan, Y. B.; Zhong, N.; Li, H. M.; et al. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 177, 10. doi: 10.1016/j.jmst.2023.07.064

    26. [26]

      Niu J.; Wang L.; Meng X.; Li C. J. Liaocheng Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 2024, 37, 36. doi: 10.19728/j.issn1672-6634.2023050002

    27. [27]

      Zhang, L. X.; Qi, M. Y.; Tang, Z. R.; Xu, Y. J. Research 2023, 6, 0073. doi: 10.34133/research.0073

    28. [28]

      Li, B.; Wang, T.; Le, Q.; Qin, R.; Zhang, Y.; Zeng, H. C. Nano Mater. Sci. 2023, 5, 293. doi: 10.1016/j.nanoms.2022.05.001

    29. [29]

      Huang, W.; Bo, T.; Zuo, S.; Wang, Y.; Chen, J.; Ould-Chikh, S.; Li, Y.; Zhou, W.; Zhang, J.; Zhang, H. SusMat 2022, 2, 466. doi: 10.1002/sus2.76

    30. [30]

      Wang, Z.; Sun, Z.; Yin, H.; Wei, H.; Peng, Z.; Pang, Y. X.; Jia, G.; Zhao, H.; Pang, C. H.; Yin, Z. eScience 2023, 3, 100136. doi: 10.1016/j.esci.2023.100136

    31. [31]

      Zhou, W.; Jing, Q.; Li, J.; Chen, Y.; Hao, G.; Wang, L.-N. Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 39, 2211010. doi: 10.3866/PKU.WHXB202211010

    32. [32]

      Chong, W.; Meng, R.; Liu, Z.; Liu, Q.; Hu, J.; Zhu, B.; Macharia, D. K.; Chen, Z.; Zhang, L. Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 1063. doi: 10.1007/s42765-023-00276-6

    33. [33]

      Han, Z.; Lv, M.; Shi, X.; Li, G.; Zhao, J.; Zhao, X. Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 266. doi: 10.1007/s42765-022-00220-0

    34. [34]

      Banoo, M.; Kaur, J.; Sah, A. K.; Roy, R. S.; Bhakar, M.; Kommula, B.; Sheet, G.; Gautam, U. K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 32425. doi: 10.1021/acsami.3c04959

    35. [35]

      Kumar, A.; Rana, A.; Sharma, G.; Naushad, M.; Sillanpää, M.; Guo, C.; Katubi, K. M. M.; Alzahrani, F. M.; Dhiman, P.; Stadler, F. J. Chem. Eng. J. 2021, 423, 130173. doi: 10.1016/j.cej.2021.130173

    36. [36]

      Bera, S.; Ghosh, S.; Maiyalagan, T.; Basu, R. N. ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 3821. doi: 10.1021/acsaem.2c00296

    37. [37]

      Ahmadi, Y.; Kim, K. H. Renew. Sustain. Energy Rev. 2024, 189, 113948. doi: 10.1016/j.rser.2023.113948

    38. [38]

      Luo, C.; Long, Q.; Cheng, B.; Zhu, B.; Wang, L. Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 39, 2212026. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212026

    39. [39]

      Zu, X.; Zhao, Y.; Li, X.; Chen, R.; Shao, W.; Wang, Z.; Hu, J.; Zhu, J.; Pan, Y.; Sun, Y.; Xie, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 13840. doi: 10.1002/anie.202101894

    40. [40]

      Rahaman, M.; Andrei, V.; Wright, D.; Lam, E.; Pornrungroj, C.; Bhattacharjee, S.; Pichler, C. M.; Greer, H. F.; Baumberg, J. J.; Reisner, E. Nat. Energy 2022, 8, 629. doi: 10.1038/s41560-023-01262-3

    41. [41]

      Estrada-Pomares, J.; Ramos-Terrón, S.; Lasarte-Aragonés, G.; Lucena, R.; Cárdenas, S.; Rodríguez-Padrón, D.; Luque, R.; Miguel, G. d. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 11298. doi: 10.1039/D1TA10323G

    42. [42]

      Kumar, R.; Raizada, P.; Verma, N.; Hosseini-Bandegharaei, A.; Vijay Kumar Thakur; Le, Q. V.; Nguyen, V.-H.; Selvasembian, R.; Singh, P. J. Clean. Prod. 2021, 297, 126617. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.126617

    43. [43]

      Jin, X.; Ye, L.; Xie, H.; Chen, G. Coordin. Chem. Rev. 2017, 349, 84. doi: 10.1016/j.ccr.2017.08.010

    44. [44]

      Shi, Y.; Yang, Z.; Shi, L.; Li, H.; Liu, X.; Zhang, X.; Cheng, J.; Liang, C.; Cao, S.; Guo, F.; et al. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 14478. doi: 10.1021/acs.est.2c03769

    45. [45]

      Wu, J.; Li, X.; Shi, W.; Ling, P.; Sun, Y.; Jiao, X.; Gao, S.; Liang, L.; Xu, J.; Yan, W.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 130, 8855. doi: 10.1002/ange.201803514

    46. [46]

      Huo, Y.; Zhang, J.; Miao, M.; Jin, Y. Appl. Catal. B 2012, 111–112, 334. doi: 10.1016/j.apcatb.2011.10.016

    47. [47]

      Imam, S. S.; Adnan, R.; Kaus, N. H. M. J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 105404. doi: 10.1016/j.jece.2021.105404

    48. [48]

      Wang, C.; Rong, K.; Liu, Y.; Yang, F.; Li, S. Sci. China Mater. 2024, 67, 562. doi: 10.1007/s40843-023-2764-8

    49. [49]

      Yu, Q.; Chen, J.; Li, Y.; Wen, M.; Liu, H.; Li, G.; An, T. Chin. J. Catal. 2020, 41, 1603. doi: 10.1016/S1872-2067(19)63496-0

    50. [50]

      Bi, J.; Zhang, Z.; Tian, J.; Huang, G. J. Colloid Interface Sci. 2024, 661, 761. doi: 10.1016/j.jcis.2024.01.213

    51. [51]

      Lee, D. E.; Mameda, N.; Reddy, K. P.; Abraham, B. M.; Jo, W. K.; Tonda, S. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 161, 74. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.024

    52. [52]

      Zhu, B.; Sun, J.; Zhao, Y.; Zhang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2310600. doi: 10.1002/adma.202310600

    53. [53]

      Yu J.; Yao X.; Su P.; Wang S.; Zhang D.; Ge B.; Pu X. J. Liaocheng Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 2024, 37, 52. doi: 10.19728/j.issn1672-6634.2023090011

    54. [54]

      Wang, L.; Bie, C.; Yu, J. Trends Chem. 2022, 4, 973. doi: 10.1016/j.trechm.2022.08.008

    55. [55]

      Dong, K.; Shen, C.; Yan, R.; Liu, Y.; Zhuang, C.; Li, S. Acta Phys.-Chim.Sin. 2024, 40, 2310013. doi: 10.3866/PKU.WHXB202310013

    56. [56]

      Yousefi, S. R.; Ghanbari, M.; Amiri, O.; Marzhoseyni, Z.; Mehdizadeh, P.; Hajizadeh-Oghaz, M.; Salavati-Niasari, M. J. Am. Ceram. Soc. 2021, 104, 2952. doi: 10.1111/jace.17696

    57. [57]

      Kumar, A.; Khosla, A.; Sharma, S. K.; Dhiman, P.; Sharma, G.; Gnanasekaran, L.; Naushad, M.; Stadler, F. J. Fuel 2023, 333, 126267. doi: 10.1016/j.fuel.2022.126267

    58. [58]

      Chen, Y.; Wang, Z.; Zhang, Y.; Wei, P.; Xu, W.; Wang, H.; Yu, H.; Jia, J.; Zhang, K.; Peng, C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 20027. doi: 10.1021/acsami.2c21049

    59. [59]

      Yu, W.; Bie, C. Acta Phys.-Chim.Sin. 2024, 40, 2307022. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307022

    60. [60]

      Deng, X.; Zhang, J.; Qi, K.; Liang, G.; Xu, F.; Yu, J. Nat. Commun. 2024, 15, 4807. doi: 10.1038/s41467-024-49004-7

    61. [61]

      Kim, I. Y.; Kim, S.; Jin, X.; Premkumar, S.; Chandra, G.; Lee, N.-S.; Mane, G. P.; Hwang, S.-J.; Umapathy, S.; Vinu, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 17135. doi: 10.1002/ange.201811061

    62. [62]

      Kumar, P.; Vahidzadeh, E.; Thakur, U. K.; Kar, P.; Alam, K. M.; Goswami, A.; Mahdi, N.; Cui, K.; Bernard, G. M.; Michaelis, V. K.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 5415. doi: 10.1021/jacs.9b00144

    63. [63]

      Monga, D.; Basu, S. J. Environ. Manage. 2023, 336, 117570. doi: 10.1016/j.jenvman.2023.117570

    64. [64]

      Wu, B.; Sun, T.; Liu, N.; Lu, L.; Zhang, R.; Shi, W.; Cheng, P. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 26742. doi: 10.1021/acsami.2c04729

    65. [65]

      Ng, S.-F.; Chen, X.; Foo, J. J.; Xiong, M.; Ong, W.-J. Chin. J. Catal. 2023, 47, 150. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64417-1

    66. [66]

      Huang, H.; Verhaeghe, D.; Weng, B.; Ghosh, B.; Zhang, H.; Hofkens, J.; Steele, J. A.; Roeffaers, M. B. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 134, e202203261. doi: 10.1002/ange.202203261

    67. [67]

      Li, H.; Zhou, Y.; Tu, W.; Ye, J.; Zou, Z. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 998. doi: 10.1002/adfm.201401636

    68. [68]

      Afroz, K.; Moniruddin, M.; Bakranov, N.; Kudaibergenovbc, S.; Nuraje, N. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 21696. doi: 10.1039/C8TA04165B

    69. [69]

      Marschall, R. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2421. doi: 10.1002/adfm.201303214.

    70. [70]

      Kumar, A.; Krishnan, V. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009807. doi: 10.1002/adfm.202009807

    71. [71]

      Han, T.; Cao, X.; Chen, H.-C.; Ma, J.; Yu, Y.; Li, Y.; Xu, W.; Sun, K.; Huang, A.; Chen, Z.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313325. doi: 10.1002/anie.202313325

    72. [72]

      Dutta, V.; Sudhaik, A.; Raizada, P.; Singh, A.; Ahamad, T.; Thakur, S.; Le, Q. V.; Nguyen, V.-H.; Singh, P. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 162, 11. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.037

    73. [73]

      Liu, C.; Mao, S.; Shi, M.; Wang, F.; Xia, M.; Chen, Q.; Ju, X. J. Hazard. Mater. 2021, 420, 126613. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126613

    74. [74]

      Zhang, L.; Wu, Y.; Tsubaki, N.; Jin, Z. Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 39, 2302051. doi: 10.3866/PKU.WHXB202302051

    75. [75]

      Shang, W.; Liu, W.; Cai, X.; Hu, J.; Guo, J.; Xin, C.; Li, Y.; Zhang, N.; Wang, N.; Hao, C.; Shi, Y. Adv. Powder Mater. 2023, 2, 100094. doi: 10.1016/j.apmate.2022.100094

    76. [76]

      Zhuang, C.; Chang, Y.; Li, W.; Li, S.; Xu, P.; Zhang, H.; Zhang, Y.; Zhang, C.; Gao, J.; Chen, G.; Zhang, T.; Kang, Z.; Han, X. ACS Nano 2024, 18, 5206. doi: 10.1021/acsnano.4c00217

    77. [77]

      Selvaraj, V.; Ong, W.-J.; Pandikumar, A. Coordin. Chem. Rev. 2022, 464, 214541. doi: 10.1016/j.ccr.2022.214541

    78. [78]

      Li, Y.; Li, Z.; Liu, E. J. J. Liaocheng Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 2023, 36, 1. doi: 10.19728/j.issn1672-6634.2022090001.

    79. [79]

      Bariki, R.; Pradhan, S. K.; Panda, S.; Nayak, S. K.; Pati, A. R.; Mishra, B. G. Langmuir 2023, 39, 7707. doi: 10.1021/acs.langmuir.3c00519

    80. [80]

      Wadsworth, A.; Hamid, Z.; Kosco, J.; Gasparini, N.; McCulloch, I. Adv. Mater. 2020, 32, 2001763. doi: 10.1002/adma.202001763

    81. [81]

      Mandal, S.; Adhikari, S.; Choi, S.; Lee, Y.; Kim, D.-H. Chem. Eng. J. 2022, 444, 136609. doi: 10.1016/j.cej.2022.136609

    82. [82]

      Sun, T.; Li, C.; Bao, Y.; Fan, J.; Liu, E. Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 39, 2212009. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212009

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  337
  • HTML全文浏览量:  92
文章相关
  • 发布日期:  2024-11-15
  • 收稿日期:  2024-07-14
  • 接受日期:  2024-08-13
  • 修回日期:  2024-08-12
  • 网络出版日期:  2024-08-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章