SrTiO₃/Bi₅O₇I 纳米复合材料增强光催化降解罗丹明 B：制备、表征与机制洞察

摘要

我们报道一种热分解路线合成 SrTiO₃/Bi₅O₇I 纳米复合材料，结合钙钛矿 SrTiO₃ 纳米颗粒与四方 Bi₅O₇I 纳米棒。XRD、XPS、SEM、EDS、FTIR、DRS 和 PL 分析确认相纯度、紧密异质结形成和有效电荷分离。模拟太阳光照射下，30 wt% SrTiO₃/Bi₅O₇I 复合材料在 150 min 内达 89.6% 罗丹明 B (RhB) 去除率——比纯 Bi₅O₇I 高 3.97 倍、比 SrTiO₃ 高 12.5 倍。•O₂⁻ 和空穴主导氧化过程，PL 数据揭示复合抑制。研究阐明 Z 型异质结机制驱动优异光催化，为高性能可见光光催化剂提供蓝图。

背景

纺织废水染料污染物构成严重生态和健康风险，推动寻找成本效益高、绿色修复方法。常规吸附、凝聚和高级氧化工艺常因高运行成本和二次废弃物受限。基于半导体的光催化，特别是利用太阳能，因可再生能源和极少副产物成为有前景替代方案。TiO₂ 仍是基准光催化剂，但宽带隙限制可见光活性并促进快速电子-空穴复合。近期策略涉及表面改性或半导体耦合以增强光吸收和电荷分离。

Bi₅O₇I 为 p 型氧碘化物，价带位置较高产生强氧化空穴，但电荷转移效率低。与 n 型 SrTiO₃ 耦合——一种热稳定钙钛矿且带隙排布合适——可形成有效异质结促进电子迁移和减少复合。本工作首创 SrTiO₃/Bi₅O₇I 纳米复合材料合成并评估其光催化性能和潜在机制。

方法

SrTiO₃/Bi₅O₇I 复合材料制备

SrTiO₃ 纳米颗粒和 SrTiO₃/BiOI 前驱体先经溶胶-凝胶法制备。复合材料随后经热分解 (升温 5 °C min⁻¹ 至 500 °C，保持 3 h，自然冷却) 得到不同 SrTiO₃ 负载量 (10–40 wt%) 的 SrTiO₃/Bi₅O₇I 纳米复合材料。

表征

相分析用 XRD (Cu Kα)。形貌和元素映射用 FE-SEM 配合 EDS。表面化学用 XPS 探测。UV-vis 漫反射 (DRS) 评估光吸收，PL 光谱评价电荷复合。FTIR 鉴定官能团。

光催化评价

模拟太阳光 (500 W Xe 灯) 下测定 RhB 降解光催化活性。100 mg 催化剂分散于 100 mL 20 mg L⁻¹ RhB，暗搅拌 30 min (吸附平衡) 后照射。每 30 min 取 3 mL 离心，UV-vis 光谱定量 RhB 浓度。

结果与讨论

XRD 分析

纯 SrTiO₃ 呈预期钙钛矿峰 (JCPDS 35‑0734)。Bi₅O₇I 显示特征四方反射 (JCPDS 10‑0548)。30 wt% 复合材料呈两者图谱叠加，无次要相，确认成功异质结形成。

XPS 分析

全谱扫描显示 Ti、Sr、Bi、I、O。核能级谱确认 Ti⁴⁺、Sr²⁺、Bi³⁺、I⁻ 价态，O 1s 峰分裂为晶格和空位相关成分，指示助于电荷传输的氧空位。

SEM & EDS

SrTiO₃ 颗粒呈球形 (50–300 nm)。Bi₅O₇I 纳米棒 (100–300 nm × 80 nm) 包裹 SrTiO₃ 颗粒，形成紧密接触。EDS 确认 30 wt% SrTiO₃ 含量。

光学性质

DRS 显示 SrTiO₃ UV 边缘 380 nm，Bi₅O₇I 可见光边缘 520 nm。复合材料 480–520 nm 强吸收，改善可见光收集。带隙计算：SrTiO₃ 3.2 eV，Bi₅O₇I 2.31 eV，30 wt% 复合材料 2.38 eV。

光催化活性

模拟太阳光下，30 wt% 复合材料 150 min 达 89.6% RhB 去除，优于两纯相材料。表观速率常数 (k_app) 1.45×10⁻² min⁻¹，比 SrTiO₃ 高 12.5 倍、比 Bi₅O₇I 高 2.97 倍。五次循环重复性测试显示活性损失可忽略，确认结构稳定性。

机制洞察

捕获剂实验揭示 •O₂⁻ 和空穴为主要氧化物种；羟基自由基作用可忽略。PL 谱显示复合材料发射显著降低，指示电子-空穴复合抑制。计算带位置 (E_VB = 2.92 eV for Bi₅O₇I, 2.03 eV for SrTiO₃) 支持 Z 型异质结：电子从 SrTiO₃ 流向 Bi₅O₇I，空穴反向迁移，驱动高效电荷分离和 •O₂⁻ 生成。