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備Bi/BiPMo12O40復(fù)合材料用于增強的還原Cr(VI)和降解四環(huán)素光催化活性
閱讀：66 發(fā)布時間：2025-5-291. 文章信息
標(biāo)題：Fabrication of Bi/BiPMo12O40 composite with enhanced photocatalytic activities for Cr(VI) reduction and tetracycline degradation
中文標(biāo)題：制備Bi/BiPMo12O40復(fù)合材料用于增強的還原Cr(VI)和降解四環(huán)素光催化活性
頁碼： 107728
DOI： 10.1016/j.mssp.2023.107728
2. 文章鏈接
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107728
3. 期刊信息
期刊名： Materials Science in Semiconductor Processing
ISSN： 1369-8001
2023年影響因子：4.1
分區(qū)信息： 中科院三區(qū)；JCR分區(qū)（Q2）
涉及研究方向： 化學(xué)研究的各個領(lǐng)域
4. 作者信息：第一作者是 石洪飛副教授（吉林化工學(xué)院）,。通訊作者為 石洪飛副教授,、李建平講師、陳哲教授（吉林化工學(xué)院）,、王衛(wèi)東教授（梧州學(xué)院）,。
5. 氙燈光源型號：北京中教金源（CEL-HXF300, Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）,；
6. 文章簡介：
將光催化技術(shù)應(yīng)用于廢水污染物的去除，代表著解決環(huán)境污染危機的理想途徑,。然而,，設(shè)計高效、可循環(huán)和多功能的光催化劑一直是一個巨大挑戰(zhàn),。本研究通過水熱法成功制備了x wt% Bi/BiPMo12O40（x = 0.5,、1.0、2.0和3.0）復(fù)合材料,，并使用各種技術(shù)方法進行了表征,。這些復(fù)合材料展現(xiàn)出了增強和持久的光催化活性，可用于去除各種污染物,。具體而言,，1.0% Bi/BiPMo12O40在可見光（λ＞420 nm）下表現(xiàn)出最佳性能，分別可去除89.33%的Cr(VI),、77.5%的TC和97.5%的MO,。此外，作者詳細(xì)研究了Cr(VI)濃度,、催化劑用量,、溶液pH值、水質(zhì)和無機陰離子對Cr(VI)還原的影響,。同時,，通過HPLC-MS鑒定了TC的降解產(chǎn)物，并建立了可行的降解途徑,。通過QSAR預(yù)測對中間產(chǎn)物進行了毒性評估,。優(yōu)異的催化活性可以歸因于增強的可見光吸收、提高的BET比表面積和光生載流子的高效分離,。捕獲實驗和ERS測試驗證了Cr還原（?O2-和e-）和TC降解（?O2-,、?OH和h+）過程的主要活性物質(zhì)。最終,，作者提出了合理的光催化機制,。這項工作為設(shè)計和構(gòu)建高效耐用的多酸基催化劑用于環(huán)境改善提供了合理的策略。
本文亮點：
1,、本工作通過水熱法制備了Bi/BiPMo12O40復(fù)合材料,，在可見光催化去除污染物方面表現(xiàn)出良好的活性。
2,、詳細(xì)研究了在光催化降解過程中,，催化劑用量、污染物濃度,、pH,、溫度,、不同水質(zhì)和不同陰離子的影響。
3,、用高效液相色譜-質(zhì)譜法研究TC可能的降解途徑,，通過QSAR預(yù)測評價TC降解中間體的毒性。
圖文解析：
圖1. 材料合成示意圖
BiPMo12O40材料是通過常規(guī)合成方法制備的,，然后經(jīng)過水熱處理過程制得Bi/BiPMo12O40材料,。首先，依次將Bi(NO3)3·5H2O和H3PMo12O40·xH2O加入去離子水中,，60 ℃攪拌2 h,，然后在110 ℃干燥6 h，得到BiPMo12O40材料,。隨后,，制備好的BiPMo12O40和不同量的Bi(NO3)3·5H2O分散到乙二醇中，乙二醇充當(dāng)還原劑,。經(jīng)過超聲和攪拌6 h后,，將混合物放入50 mL高壓釜中,，在180 ℃下加熱10 h,，制得Bi/BiPMo12O40材料。
圖2. 掃描電鏡,、透射電鏡以及元素分布照片
通過掃描電子顯微鏡,、透射電子顯微鏡評估了所得樣品的形態(tài)和粒徑。這些Bi/BiPMo12O40樣品由BiPMo12O40納米球和Bi納米顆粒組成,，Bi納米顆粒均勻分布在BiPMo12O40納米球表面,。BiPMo12O40和Bi的尺寸范圍分別為500 ± 100 nm和140 ± 40 nm。并且發(fā)現(xiàn)了0.285 nm和0.194 nm的晶格間距,，分別與BiPMo12O40的(225)面和Bi的(021)面一致,，確認(rèn)了這種復(fù)合材料中BiPMo12O40和Bi的共存。元素映射圖像用于驗證所得樣品的元素組成,。清晰地觀察到Bi,、P、Mo和O元素在1.0% Bi/BiPMo12O40樣品中均勻分散,，進一步確認(rèn)了成功構(gòu)建了這種復(fù)合材料,。
圖3. 反應(yīng)性能評價
作者通過還原Cr(VI)來評估各種材料的催化性能。沒有催化劑時,，僅有9.79%的Cr(VI)被還原,，而在可見光照射下，純BiPMo12O40的還原率僅為53.11%,。在沉積Bi納米顆粒之后,，Bi/BiPMo12O40的催化能力顯著提高,，其中，1.0% Bi/BiPMo12O40表現(xiàn)出最佳的光還原活性,，還原率達到89.33%,。Bi/BiPMo12O40的光催化活性隨著Bi納米粒子沉積逐漸增強，表明Bi金屬粒子的SPR效應(yīng)發(fā)揮了重要作用,。此外,，研究了不同因素對Cr(VI)還原的影響，包括pH值,、Cr(VI)濃度,、催化劑量、無機離子和水質(zhì),。
圖4. 降解路徑及毒性評估
采用了高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（HPLC-MS）技術(shù)來研究TC降解過程中的中間體,。隨著反應(yīng)的進行，最后,，所有降解中間體都被氧化為小分子,、CO2 和H2O。
隨著TC的降解,，產(chǎn)生了有毒的中間體,，必須考慮它們的毒性。借助定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）模型,，使用毒性評估軟件工具對TC及其降解中間體的發(fā)育毒性,、致突變性、生物富集和急性毒性進行了評估,。光降解的大多數(shù)中間體低于TC的毒性,，而且大多數(shù)中間體是低毒性和非毒性化學(xué)品，反映出光降解后TC的急性毒性顯著降低,。因此,，可以成功應(yīng)用以Bi/BiPMo12O40為催化劑的光催化技術(shù)來消除對人類有害的微生物。
圖5. 反應(yīng)機理示意圖
在可見光照射下,，BiPMo12O40和Bi都被光激發(fā),。電子從BiPMo12O40的VB光激發(fā)到其CB，在VB中留下空穴,。與此同時,，由于表面等離子共振（SPR）效應(yīng)在Bi NPs中產(chǎn)生了大量熱電子。由于肖特基結(jié)存在,，BiPMo12O40 CB上的電子被轉(zhuǎn)移到Bi NPs,。之后，它們和來自Bi的熱電子與O2反應(yīng)產(chǎn)生?O2-。Cr(VI)還原中,，Bi NPs上的?O2-和電子可以將Cr(VI)還原為Cr(III),，而BiPMo12O40 VB中的空穴參與與異丙醇的氧化反應(yīng)。Bi NPs上產(chǎn)生的?O2-可以轉(zhuǎn)化為?OH自由基,。然而,，BiPMo12O40 VB中產(chǎn)生的空穴無法氧化OH-和H2O以產(chǎn)生?OH，因為BiPMo12O40的VB值相對于?OH/OH-（2.38 V）和?OH/H2O（2.27 V）來說更少正極化,。因此,，BiPMo12O40的空穴直接氧化了TC，從ESR測試和捕獲實驗的結(jié)果來看,。最終,，TC分子通過?O2-、h+和?OH得以有效降解,。
總結(jié)與展望：
在這項研究中,，我們開發(fā)了一種新穎的方法，用于簡單合成非貴金屬Bi納米顆粒沉積的BiPMo12O40納米球光催化劑,。所得的Bi/BiPMo12O40復(fù)合材料在可見光下表現(xiàn)出持久的光催化活性,，可用于去除Cr(VI)、TC和MO,，具有ji高的光穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性,。這一出色的催化性能歸因于比表面積的增加、可見光吸收的增強,，以及光誘導(dǎo)載體的高效分離,。催化機制表明,，BiPMo12O40和Bi之間存在協(xié)同效應(yīng),，Bi NPs的SPR效應(yīng)形成強烈的局部電磁場，為Bi/BiPMo12O40復(fù)合材料中的光誘導(dǎo)電子和空穴的分離效率提供了額外的促進,。此外,，采用HPLC-MS技術(shù)鑒定了TC的降解中間體，提出了可能的降解途徑,。通過QSAR預(yù)測評估了中間體的毒性,。捕獲實驗和ERS測試證實了在Cr還原（?O2-和e-）和TC降解（?O2-、?OH和h+）中涉及的主要活性物質(zhì),。這項工作為開發(fā)和制備多酸基材料用于處理環(huán)境污染物提供了新的見解,。