复合型溴氧化铋光催化剂强化可见光催化降解双酚A的增效机制研究

Bisphenol A (BPA), which is a typical endocrine disrupting chemical, has aroused great concern because it is widespread in aqueous environment in recent years. Photocatalysis using bismuth oxybromide (BiOBr) is recognized as a promising strategy to deal with BPA. However, three questions become the limitations of the practical application of BiOBr: low efficiency of visible light harvesting (not energy-saving), low efficiency of charge separation (ineffective) and low efficiency of BPA mineralization (unsafe). All these three questions depend on the band structure of BiOBr, indicating that using band structure engineering to modify BiOBr could solve these three questions theoretically. Fabricating BiOBr-based composite photocatalysts is a promising strategy to optimize the band structure of BiOBr, for instance, element doping and heterojunction construction. Furthermore, with the help of advanced microtechnic, spectroscopic technique and theoretical calculation, the change of crystal structure, band structure and photocatalytic efficiency could be revealed. In this way, the relationship between the modification strategy of BiOBr and the enhanced photocatalytic degradation of BPA could be investigated in detail, and the mechanism of energy conversion at the level of electron could be elucidated. This project will provides a new approach for the design of Bi-based photocatalysts to fight against the organic pollution in aqueous environment, which is beneficial for the practical application of photocatalytic technology in water and wastewater treatment.

以双酚A（BPA）为代表的内分泌干扰物产生的水污染问题引起了广泛关注，溴氧化铋（BiOBr）光催化降解是一种理想的解决手段。然而BiOBr仍存在可见光利用率低、载流子分离效率低和有机物矿化能力低三大问题。从原理上看，这三大问题均与BiOBr能带结构有关，因此可以通过元素掺杂、构建异质结等手段制备基于BiOBr的复合型光催化剂，从而优化能带结构，实现可见光驱动的BPA高效降解，有效克服上述问题。同时，结合显微技术、光谱技术、理论计算等方法，考察不同复合策略对BiOBr晶体结构、能带结构和催化活性的影响，明确不同复合型BiOBr光催化剂的催化机制，从能量转化角度和电子转移水平解析不同改性策略对BiOBr光催化降解BPA的增效机制。该课题的研究将为面向有机污染物深度控制的铋基光催化剂设计与优化提供理论指导，为光催化技术技术走向水污染控制提供实验支撑，具有重要的学术价值及环境意义。

针对BiOBr存在的对可见光的利用率较低（节能性）、自身载流子分离效率不高（有效性）以及对有机物的降解与矿化能力有限（安全性）三大问题，本项目通过元素掺杂的方式构建基于BiOBr的复合型光催化剂。选取典型内分泌干扰物双酚A作为降解目标污染物，并优化材料的合成方法，实现可见光驱动的BPA高效降解。通过电子显微镜、光谱技术、电化学测试等手段从电子水平研究不同的复合策略对催化剂理化性质的影响，构建相应的能带结构模型，解析有机物降解的反应机理，明确元素掺杂与BiOBr催化性能提升之间的构效关系。本项目通过水热法制备了非金属S、过渡金属Ce、贵金属Ag和Au掺杂的BiOBr复合材料，明确了调控前后BiOBr材料在物相、形貌、暴露晶面等参数的变化情况。研究结果表明，非金属S、过渡金属Ce、贵金属Ag和Au的掺杂都能减小BiOBr的本征带隙，使材料的吸收边红移从而提升对可见光的利用效率。杂后的BiOBr载流子分离效率得到提升，Ag和Au掺杂BiOBr都使其本征催化活性提升了大约2倍，S掺杂使BiOBr的本征催化活性提升了2.78倍，Ce掺杂提升了3.66倍，均实现了可见光驱动的对无色有机污染物的高效降解。TOC测试结果表明，通过元素掺杂后的复合型BiOBr将污染物转化为CO2和H2O的矿化能力也提升2~3倍。基于自由基捕获实验以及电子顺磁共振技术，证明了•O2-是催化剂光催化降解BPA的主要活性氧自由基。另外，相较于其他三种元素掺杂，多电子Ce原子的掺杂引入了新的掺杂能级，作为电子供体为材料导带提供更多的电子，从而促进O2的还原来产生更多的•O2-。因此，本项目论证了通过元素掺杂改性制备复合型BiOBr的策略对于提升可见光响应、提升载流子分离效率和提升污染物降解与矿化效率的有效性，为BiOBr走向实际应用提供了一条可行的思路。