BiOBr/BiVO4复合物的制备及其光催化性能研究

宋沛沛 ,  卢文浩 ,  李娟 ,  马占强

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (4) : 141 -146.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (4) : 141-146. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.024
科研与开发

BiOBr/BiVO4复合物的制备及其光催化性能研究

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Preparation of BiOBr/BiVO4 composite with enhanced photocatalytic performance

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摘要

采用原位沉淀法成功制备BiOBr/BiVO4复合光催化剂,对其晶体结构、微观形貌、吸光性能、能带结构等进行表征分析。BiOBr和BiVO4之间形成的良好异质结界面和匹配的能带结构,有效促进光生电子-空穴对的分离与迁移。在可见光照射下,BiOBr/BiVO4复合物对盐酸四环素(TCH)表现出显著增强的光催化降解性能,其中BiOBr/BiVO4-2样品光催化活性最优,光照40 min后,TCH的降解率达到80.0%,其一级动力学拟合的反应速率常数达到0.035 0 min-1,是单一BiVO4的2.01倍。自由基捕获实验进一步表明,·OH和光生空穴(h+)在BiOBr/BiVO4复合物光催化降解TCH过程中起主要作用。

Abstract

BiOBr/BiVO4 composite photocatalysts were successfully synthesized via an in situ precipitation method and systematically characterized in terms of its crystal structure,morphology,light absorption properties,and band structure.The results indicate that well-defined heterojunction interface with matched band alignment was formed between BiOBr and BiVO4,which effectively facilitated the separation and migration of photogenerated electron-hole pairs.Under visible-light irradiation,the BiOBr/BiVO4 composite exhibited significantly enhanced photocatalytic performance for the degradation of tetracycline hydrochloride (TCH).Among the samples,BiOBr/BiVO4-2 displayed the highest photocatalytic activity with TCH degradation rate of 80.0% within 40 min and the pseudo-first-order kinetic rate constant was calculated to be 0.035 0 min-1,which is 2.01 times higher than that of pure BiVO4.Free radical trapping experiments further revealed that ·OH and photogenerated holes (h+) played major roles in the photocatalytic degradation process.

Graphical abstract

关键词

光催化 / 盐酸四环素 / BiOBr / BiVO4

Key words

photocatalysis / tetracycline hydrochloride / BiOBr / BiVO4

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宋沛沛,卢文浩,李娟,马占强. BiOBr/BiVO4复合物的制备及其光催化性能研究[J]. , 2026, 46(4): 141-146 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.024

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抗生素用于防治疾病,广泛应用于水产养殖业、畜牧业、农业、人类医疗等领域。盐酸四环素(TCH)是一种广谱抗生素,在人类和动物体内的吸收率低,大量未被吸收利用的TCH直接随排泄物进入环境中,导致TCH在多种水体环境中被频繁检测到,微生物耐药性不断增强,导致抗生素抗性基因传播,对公共卫生造成严重威胁[1]。常规水处理技术(如生物降解、混凝沉淀、吸附)对TCH去除效率有限,且处理过程中可能产生其他生态毒性,导致二次污染[2]。开发高效、绿色的TCH废水处理技术对人类社会的可持续发展意义深远。高级氧化技术可产生强氧化性的活性物种,无选择性地降解有机污染物,其中光催化技术利用太阳光驱动,具有反应条件温和、氧化性强、能耗低以及无二次污染的优点,被视为一种具有良好应用前景的环境修复策略,为有效去除水体中残留的TCH等抗生素提供了新的解决思路[3]。基于太阳光谱的组成,近年来光催化技术的研究聚焦可见光响应光催化材料,虽取得了一定的突破和发展,但光催化活性仍有很大的提高空间。为应对上述挑战,可选择两种或多种具有匹配能带结构的光催化材料构建复合光催化剂,高效分离和传输光生电荷,提高光生电子和空穴的分离效率,提升光催化性能[4-5]
BiVO4是一种可见光响应的光催化材料,其带隙宽度约为2.4 eV,稳定性好,不易发生光腐蚀,且价带电位高,光生空穴的氧化能力强。目前BiVO4用于光催化降解有机污染物的主要瓶颈是光生电荷的分离效率不理想。BiOBr也是一种可见光响应的光催化材料,带隙约2.7 eV,具有独特的[Bi2O2]2+层与双Br-层交替排列的晶体结构,且稳定性好,在光催化领域引起广泛关注[6]。基于BiOBr和BiVO4匹配的能带结构,Zhang等[7]制备核壳结构的 BiOBr/BiVO4复合物用于光催化降解诺氟沙星;Ye等[8]通过CTAB辅助的多元醇法合成的BiOBr/BiVO4复合物展现出良好的降解罗丹明B的性能;Li等[9]在Bi片上构建Z型BiOBr/BiVO4复合物薄膜用于光催化还原CO2。本研究在水热法制备 BiVO4的基础上,通过简单易操作的原位沉淀法构建BiOBr/BiVO4复合光催化剂,探索其光催化降解TCH性能,分析BiOBr/BiVO4复合物光催化性能增强的机理。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

五水硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]、溴化钾(KBr)、氢氧化钠(NaOH)、偏钒酸铵(NH4VO3)、草酸铵(AO)和对苯醌(BQ)均为上海阿拉丁生化科技公司生产;盐酸四环素(TCH)为北京索莱宝科技公司生产;乙二醇(EG)、冰乙酸(HAc)、无水乙醇和异丙醇(IPA)均为天津科密欧试剂公司生产,以上试剂均为分析纯。
X射线衍射仪(XRD,D8 Focus)来自德国Bruker公司;紫外-可见分光光度计(UV-2600i)来自日本Shimadzu公司;电化学工作站(CHI660E)来自上海辰华仪器公司;扫描电子显微镜(SEM,JSM-IT200)来自日本JEOL公司;光催化降解过程所用光源为300 W氙灯(CEL-HXF300-T3)来自北京中教金源科技公司。

1.2 材料制备

1.2.1 BiVO4的制备

采用水热法制备BiVO4,将2.425 g Bi(NO3)3·5H2O溶于5 mL乙酸和5 mL去离子水的混合液中,搅拌至完全溶解,记为A液;取3.0 g NaOH溶于50 mL去离子水中,再加入0.585 g NH4VO3搅拌至完全溶解,记为B液。将B液逐滴加入A液中,持续磁力搅拌30 min,将混合液转移至100 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中,置于160℃下保温4 h。自然冷却后,离心收集沉淀,用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次,60℃烘箱中干燥8 h,收集的亮黄色粉末即为BiVO4

1.2.2 BiOBr/BiVO4复合物的制备

采用原位沉淀法制备BiOBr/BiVO4复合物,称取0.3 g上一步制备的BiVO4加入30 mL去离子水中,超声30 min使其分散均匀,滴加一定浓度的KBr溶液10 mL,磁力搅拌30 min,记为A液;称取一定量Bi(NO3)3·5H2O溶于20 mL乙二醇,记为B液。将B液滴加到A液中,室温下持续搅拌2 h,将混合液离心分离沉淀,用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次,60℃烘箱中干燥8 h,收集得到浅黄色粉末即为BiOBr/BiVO4复合物。上述过程中KBr的质量分别为0.01、0.02、0.03 g,得到不同组成的复合材料标记为BiOBr/BiVO4-1、BiOBr/BiVO4-2、BiOBr/BiVO4-3,加入的Bi(NO3)3·5H2O与KBr物质的量之比保持1∶1。
采用上述过程中不添加BiVO4制备的白色粉末样品即为BiOBr。

1.3 电化学测试

采用三电极体系通过电化学工作站测试制备样品的瞬态光电流响应(i-t)、电化学阻抗谱(EIS)和莫特-肖特基(M-S)曲线。具体测试条件如下:工作电极为负载催化剂的氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃,对电极为Pt片,参比电极为Ag/AgCl电极,电解液为0.1 mol/L Na2SO4溶液。工作电极的制备方法为:称取10 mg催化剂样品,分散于0.8 mL乙醇与20 μL Nafion溶液的混合液中,经30 min超声处理形成均匀分散的浆料后,将其定量滴涂于FTO玻璃的导电面,在室温下自然干燥。

1.4 光催化降解TCH的性能测定

光催化性能评估以TCH作为目标污染物,采用装载420 nm截止滤光片的300 W氙灯作为可见光光源。将20 mg光催化剂分散于75 mL 20 mg/L的TCH溶液中,该悬浮液先在黑暗条件下持续搅拌 30 min,以确保催化剂表面达到吸附-脱附平衡。随后放置于300 W氙灯光源下,每隔5 min取样4 mL悬浮液,离心后取上层清液,利用紫外-可见分光光度计在TCH的特征吸收波长357 nm处测定其吸光度,进而计算溶液剩余浓度。通过分析不同样品在光照条件下TCH浓度的变化,系统比较制备材料的光催化性能。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

通过XRD对BiVO4、BiOBr和BiOBr/BiVO4-2的晶体结构进行表征分析,结果见图1。水热法制备的BiVO4样品衍射峰位置与单斜相BiVO4标准卡片JCPDS 14—0688完全吻合,位于19.0、28.9、30.6、34.7、35.3、40.0、42.4、45.7、47.3、50.3°和53.3°的衍射峰分别对应其(011)、(121)、(040)、(200)、(002)、(211)、(151)、(-132)、(240)、(202)和(161)晶面[10]。沉淀法制备的BiOBr特征衍射峰与四方晶系BiOBr的标准卡片JCPDS 73—2061一致,10.9、25.4、32.1、32.4、39.6、46.3°和57.4°处的衍射峰分别归属其(001)、(011)、(012)、(110)、(112)、(020)和(212)晶面[11]。在BiOBr/BiVO4-2的XRD图谱中,不仅保留了BiVO4的衍射峰,还可观察到在25.4、32.1°和32.4°处归属BiOBr的特征衍射峰,且无其他杂相峰出现。上述结果证实采用原位沉淀法成功构建了BiOBr/BiVO4复合物。

2.2 SEM分析

样品的微观形貌是影响其光催化性能的关键因素,采用SEM观察BiVO4、BiOBr和BiOBr/BiVO4-2的微观形貌,结果如图2所示。由图2(a)可以看出,水热法制备的BiVO4呈现为分散的微米级颗粒,尺寸为1~3 μm,且每个颗粒由粒径为几十到几百纳米的小颗粒组装而成。图2(b)显示,沉淀法制备的BiOBr表现出典型的纳米片状结构,片的大小为100~200 nm。进一步观察BiOBr/BiVO4-2复合材料的SEM图[图2(c)、(d)],BiOBr纳米片均匀负载在BiVO4颗粒表面,二者之间形成了紧密的界面接触。BiOBr/BiVO4-2复合物中“颗粒-片”组装结构为光生电子和空穴在异质结界面的迁移与分离提供了有利通道,从而有助于增强BiOBr/BiVO4复合材料对TCH的光催化降解性能。

2.3 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)及价导带电位分析

半导体材料的光催化活性与吸光性能和能带结构密切相关。不同样品的UV-Vis DRS结果如图3所示。从图3(a)中可以看出,纯BiOBr和BiVO4的光吸收边分别位于445 nm和514 nm,表明二者均具有可见光响应特性。在BiOBr/BiVO4复合物的UV-Vis DRS谱图中,可同时观察到归属于BiOBr和BiVO4的两个吸收带。随着复合物中BiOBr负载量的增加,BiVO4对应的吸收带逐渐减弱,而BiOBr对应的吸收带则相应增强,表明复合后两者光学特性得以共存,且复合材料仍保持良好的可见光吸收能力。
为进一步分析材料的能带结构,采用Tauc公式计算材料的带隙宽度(Eg),如式(1)所示。
$\alpha h\nu =A(h\nu -{E}_{g}{)}^{n/2}$
其中,α为吸收系数;为入射光子能量;A为比例系数;Eg为带隙,eV;n为光学跃迁系数(直接半导体n=1;间接半导体n=4)[12]。BiVO4为直接带隙半导体[13],BiOBr为间接带隙半导体[14],根据图3(b)图3(c)的Tauc图结果可知,BiVO4和BiOBr的带隙Eg分别为2.44 eV和2.65 eV。

2.4 瞬态光电流和EIS分析

在光催化过程中,光生电子和空穴的有效分离是决定光催化性能的关键。瞬态光电流和EIS是评估光生电子和空穴分离效率的常用手段,高的光电流响应和小的阻抗弧半径对应于更有效的载流子分离。BiVO4、BiOBr和BiOBr/BiVO4-2的瞬态光电流和EIS测定结果见图4(a)。3个样品在光照后均可表现出稳定的光电流响应,其中BiOBr/BiVO4-2的光电流响应强度显著优于BiVO4和BiOBr,表明复合物的构建有效促进了光生电子-空穴对的分离。图4(b)中BiOBr/BiVO4-2复合物的EIS图谱的弧半径均小于BiVO4和BiOBr,说明其具有更低的界面电荷转移电阻,进一步证实复合物结构有利于光生载流子的迁移和分离,EIS结果与瞬态光电流的结论是一致的。结合前述SEM形貌分析可知,BiOBr纳米片与BiVO4颗粒之间形成了紧密的界面接触,这种微观结构为光生电荷在异质结界面的迁移提供了有效通道,从而显著抑制了BiVO4或BiOBr自身电子-空穴对的复合,有助于提升复合材料的光催化性能。

2.5 光催化降解TCH性能

通过可见光下降解TCH评估制备材料的光催化性能,结果如图5所示。由图5(a)可知,所有BiOBr/BiVO4复合物光催化降解TCH的性能均优于单一的BiVO4,随着复合物中BiOBr含量的增加,其光催化降解TCH的性能呈现先增强再减弱的趋势,其中BiOBr/BiVO4-2展现出最优的TCH降解效率,40 min时TCH的降解率可达80.0%。进一步通过一级动力学模型[式(2)]对TCH的光催化降解过程进行拟合[15-16],结果见图5(b)
$ -\ln \left(c / c_{0}\right)=k t$
其中,c为光照时间t时TCH溶液的浓度,molL-1;c0为TCH溶液的初始浓度,molL-1;k为反应速率系数,min-1;t为光照时间,min。
BiOBr/BiVO4-2样品的反应速率常数k最大,达到0.035 0 min-1,为单一BiVO4样品(0.017 4 min-1)的2.01倍,进一步证实BiOBr/BiVO4-2具有显著增强的光催化性能。

2.6 自由基捕获实验

在光催化降解TCH过程中,光生空穴(h+)、·O2-和·OH 3种活性物种均具有氧化性,可将TCH降解。为研究BiOBr/BiVO4-2光催化降解TCH过程中3种活性物种的作用强弱,分别添加BQ、AO及IPA作为·O2-、h+和·OH的捕获剂[17-18],实验结果如图6所示。与未添加捕获剂的光催化降解过程相比,加入IPA和AO时BiOBr/BiVO4-2光催化降解TCH的性能受到显著抑制,而添加BQ对降解过程的影响相对较小。上述结果表明·OH和h+是 BiOBr/BiVO4复合物光催化降解TCH过程中的主要活性物种。

2.7 BiOBr/BiVO4复合物光催化降解TCH的机理分析

基于UV-Vis DRS测试结果分析,BiVO4和BiOBr的Eg分别为2.44 eV和2.65 eV。通过M-S曲线分析BiVO4和BiOBr的半导体类型和平带电位(Efb),进一步确定价带电位(EVB)和导带电位(ECB)。如图7所示,BiVO4的M-S曲线中直线部分斜率为正,表现为n型半导体特性;而BiOBr的 M-S曲线中直线部分斜率为负,表明其为p型半导体。根据M-S曲线中直线部分延长线与横轴的交点,可得到相对于Ag/AgCl参比电极的Efb,BiOBr和BiVO4Efb分别为1.89 eV和0.04 eV。若换算为标准氢电极(NHE)为参比电极(ENHE=EAg/AgCl+0.197)[19],BiOBr和BiVO4Efb为2.09 eV和0.24 eV。依据n型半导体的ECBEfb负移0.1 eV[20],p型半导体的EVBEfb正移0.1 eV[21],可得BiVO4ECB为0.14 eV,BiOBr的EVB为2.19 eV。进一步结合公式EVB=Eg+ECB可知,BiVO4EVB为2.58 eV,BiOBr的ECB为-0.46 eV。
BiOBr/BiVO4复合物光催化降解TCH的机理分析如图8所示。在可见光激发下,BiOBr和BiVO4分别产生光生电子-空穴对。由于二者能带结构交错匹配,BiOBr导带(ECB=-0.46 eV)上的光生电子(e-)可迁移至BiVO4导带(ECB=0.14 eV),而 BiVO4价带(EVB=2.58 eV)上的光生空穴(h+)可迁移至BiOBr价带(EVB=2.19 eV),从而实现了光生载流子的空间分离,有效抑制了其复合,这与前述光电流及EIS测试中观察到的电荷分离效率提升相一致。在后续反应路径方面,由于BiVO4ECB(0.14 eV)正于O2-/O2的还原电位(-0.33 V vs.NHE),其导带电子难以直接还原O2生成·O2-。而BiOBr的EVB(2.19 eV)显著正于·OH/OH-的氧化电位(1.99 V vs.NHE),其价带空穴可将吸附的OH-氧化为·OH。该分析结果与自由基捕获实验结论一致,进一步证实·OH与h+是降解过程中的主要活性物种。综上所述,BiOBr与BiVO4之间构建的异质结通过能带匹配促进了光生电子与空穴的高效分离与迁移,从而显著提升了复合材料对TCH的光催化降解性能。

3 结论

本研究采用原位沉淀法成功构建BiOBr/BiVO4异质结复合光催化材料,BiOBr纳米片均匀负载在BiVO4颗粒表面,二者之间形成紧密的界面接触。BiOBr和BiVO4之间良好的界面结构与匹配的能带排列有效促进了光生电子-空穴对的界面迁移与空间分离,显著提高了载流子分离效率。得益于该协同效应,BiOBr/BiVO4复合材料在可见光下对TCH表现出显著增强的光催化降解性能,其中BiOBr/BiVO4-2样品光催化活性最优,在40 min内可实现80.0%的TCH降解率,其反应过程符合一级动力学模型,表观速率常数达0.035 0 min-1,为纯BiVO4的2.01倍。本研究为构建高效Bi基异质结光催化剂提供了可行的合成策略与理论依据。

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