Bi5O7I/g-C3N4Z型异质结的常温沉淀制备及其光催化性能研究

李冬梅,卢文聪,梁奕聪,王逸之,陈海强,李俊添,谢震宇

Bi5O7I/g-C3N4Z型异质结的常温沉淀制备及其光催化性能研究

李冬梅1*,卢文聪1,梁奕聪1,王逸之2,陈海强1,李俊添1,谢震宇3

(1.广东工业大学土木与交通工程学院,广东 广州 510006；2.麻省理工学院大脑与认知科学系,美国 麻州 02139；3.复旦大学物理学系,上海 200433)

以Bi(NO3)3·5H2O､KI和g-C3N4为前驱体,采用常温沉淀法制备Bi5O7I/g-C3N4Z型异质结复合光催化剂,表征其光吸收性能､微观形貌､光生电子-空穴的分离效率等特性,研究新型光催化剂对RhB的可见光催化降解性能,探讨其可见光催化过程活性基团种类以及作用机理.结果表明:利用沉淀法合成Bi5O7I/g-C3N4的条件为:Bi(NO3)3·5H2O､KI和g-C3N4的投加量分别为4.85g､1.66g和1.61g,乙二醇的用量为50mL,反应液的pH值为12,反应搅拌速度为200r/min,反应温度为25℃.Bi5O7I/g-C3N4异质结无杂相生成且纯度高,异质结复合发生在g-C3N4的(002)晶面和Bi5O7I的(203)晶面,但g-C3N4和Bi5O7I的化学结构未受影响.Bi5O7I/g-C3N4呈三维纳米花瓣形貌结构,为光生电子-空穴的迁移提供了大量的接触位点.Bi5O7I的g-C3N4掺杂改性使其光催化活性显著增强,其光吸收边缘由425nm红移至462nm,Bi5O7I/g-C3N4的能带排列结构与Z型异质结匹配,促进了光生电子-空穴的分离.其光电流密度(11.5mA/cm)约为g-C3N4和Bi5O7I对应值的2.66倍和1.47倍.Bi5O7I/g-C3N4对罗丹明B的可见光催化降解率为93.9%,显著高于g-C3N4(58%)和Bi5O7I(49.7%)的降解效果,其光催化氧化活性主要来自羟基基团､超氧基团和光生空穴等中间态自由基.

常温沉淀法；Bi5O7I/g-C3N4；Z型异质结；可见光催化性能

高浓度有机废水排放量随着工业的迅猛发展显著增加,对水体的污染日益加深[1].由于高浓度有机废水可生化性差,传统的污水生物处理工艺无法满足达标排放的要求.

自半导体材料TiO2作为电极光催化分解H2O的成果报道以来[2],越来越多具有光催化性能的半导体材料,如Fe2O3,C3N4,ZnO,BiOX和CdS等得到重视.同时,半导体光降解有机物的特性逐步应用在污废水处理领域[3-4].

在实际应用中,半导体光催化剂的催化效率常受到其光响应特性的限制,例如活性较高且间隙较宽的半导体材料TiO2和ZnO等仅能被紫外光激发.而太阳光中的紫外光只占5%,380nm～500nm波长(可见光波长范围为380nm～780nm)的主要辐射能量无法得到有效利用[5],其可见光催化降解有机物的效果较差.目前,具有可见光响应(间隙较窄)的半导体材料研发方兴未艾.常见的可见光催化剂有Bi2WO6、C3N4、CdS、TaON等[6-7].但可见光催化剂普遍存在光生电子-空穴复合率较高的问题,在实际应用中可见光催化氧化效率较低.

铋系光催化材料是一类可以直接利用可见光的新型光催化材料[8].Bi5O7I是BiOX(X=Cl,Br,I)家族的一种富氧型铋基卤氧化物.其晶体结构是由正铋氧层 (Bi2O2)2+和负卤素离子层X-交替排列而成.这种独特的层状结构,使其内部产生了垂直于层状结构方向的内静电场[9].与其他催化剂材料比较,Bi5O7I具有的内静电场更有利于光生载流子的分离,从而提高其可见光催化活性.但是,Bi5O7I的光吸收边缘约为400nm[10].文献报道表明[11],构建异质结是改善半导体光催化性能的一种有效方法.许多研究人员通过构建异质结的方式,改善半导体材料的可见光吸收利用能力以及光生电子-空穴对分离效率,进而提高其可见光催化性能.但是,使用Ag2O、Ag等材料对Bi5O7I改性构建纳米异质结,需要较长的时间和较高的能耗[12-13].

石墨相氮化碳g-C3N4是一种具有可见光响应的非金属有机半导体光催化材料,具有无毒､高稳定性以及较强的可见光吸收利用性能等优点.众研究者利用g-C3N4和Bi5O7I构建纳米异质结,提高其可见光吸收性能以及光生电子-空穴对的分离效率.但制备过程耗时长､能耗高.比如,Liu等[14]利用原位共结晶法成功制备了Bi5O7I/g-C3N4纳米异质结(520oC高温条件).利用Bi5O7I/g-C3N4可见光催化降解RhB(催化剂投加量为50mg,RhB浓度为0.01mmol/L),2h降解率可达90%.Geng等[15]利用高温反应釜在120℃下持续反应12h后,成功制备了Bi5O7I/g-C3N4纳米微球.利用该光催化剂对MO和RhB进行光催化降解(催化剂投加浓度为1g/L,MO和RhB浓度为10mg/L),40min下MO降解率可达97.8%,而20min下RhB降解率可达98.2%.

因此,本研究以Bi(NO3)3·5H2O、KI和g-C3N4为前驱体,通过耗能耗时较低的常温沉淀法制备Bi5O7I/g-C3N4纳米异质结,改善可见光吸收性能,提高光生电子-空穴对的分离效率,强化光催化活性.

1 材料与方法

1.1 材料与设备

实验试剂均为分析纯,五水合硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O,分子量为485.07)、碘化钾(KI,分子量为166)、三聚氰胺(C3H6N6,分子量为126.12)、乙二胺四乙酸钠(C10H14N2Na2O8,分子量为372.24)、异丙醇(C3H8O,分子量为60.06)、乙二醇((CH2OH)2,分子量为62.068)、苯醌(C6H4O2,分子量为108.09),由上海麦克林生化科技有限公司生产;氢氧化钠(NaOH,分子量为40)和罗丹明B(C28H31ClN2O3,分子量为479.01)由南京化学试剂股份有限公司生产;无水乙醇(C2H5OH,分子量为46.07)由天津市大茂化学试剂厂生产;DMPO(C6H11NO,分子量为113.158)由上海阿拉丁试剂有限公司生产.

紫外可见光分光光度计(UV-5100,上海元析仪器有限公司,2019);磁力搅拌器(79-1,金坛大地自动化仪器厂,2017);电子天平(AR2202CN,美国奥豪斯, 2016);马弗炉(XS5-5-1200,深圳中达电炉厂,2016);超纯水机(TST-UP-10,石家庄泰斯特仪器设备有限公司,2016);智能数显鼓风干燥机(DHG101-4B,上海昕仪仪器有限公司,2016);

氙灯光源(HF-GHX-XE-300,上海贺帆仪器有限公司,2019);恒温循环水箱(HF-08,上海贺帆仪器有限公司,2019).

1.2 g-C3N4的制备

g-C3N4的制备方法[16]:称取三聚氰胺10g于50mL陶瓷坩埚中后置于马弗炉内,以10℃/min的速率将马弗炉升温至550℃后保持2.5h.待三聚氰胺热处理结束后取出,冷却到室温,用乙醇和水反复清洗坩埚内黄色固体3次,过滤烘干后即可得到g-C3N4样品.

1.3 Bi5O7I/g-C3N4复合光催化剂的制备

Bi5O7I/g-C3N4的制备步骤如下:首先制备g-C3N4原料[16].然后称取4.85g 的Bi(NO3)3·5H2O溶于50mL的乙二醇溶液中,超声30min使其完全溶解形成溶液A,接着称取KI和g-C3N4分别为1.66g和1.61g溶于等量乙二醇溶液中,超声30min至其完全溶解形成溶液B.将A溶液逐滴滴入溶液B中,用1mol/L NaOH溶液调节pH值至12;在200r/min的速度下充分搅拌A､B混合液30min然后静置30min.最后通过离心、洗涤、过滤和烘干,得到浅色的Bi5O7I/g-C3N4异质结复合光催化剂样品.

1.4 Bi5O7I/g-C3N4光催化性能测试

利用350W的氙灯顶照设备进行Bi5O7I/g-C3N4可见光催化性能测试实验,反应装置如图1所示.氙灯头部配备的滤光片(>420nm)提供可见光光照条件(光源与顶照反应肼顶部相距10cm),在顶照反应肼中加入20mg/L的罗丹明b溶液100mL,接着加入0.05g的Bi5O7I/g-C3N4光催化剂.打开恒温循环器(室温),在暗态条件下搅拌60min,使光催化剂与目标污染物罗丹明b达到吸附-脱附平衡,测定溶液的吸光度.打开光源后,每隔20min吸取3mL的罗丹明b溶液,用紫外-可见分光光度计测定吸光度.

图1 光催化反应装置

1.功率调节器;2.氙灯;3.升降调节器;4.恒温循环器;5.磁力搅拌器;6.顶照反应肼

1.5 表征方法

1.5.1 物相结构 利用X射线衍射仪(德国Bruke- D8型)测定材料的衍射角度和衍射峰强度,再与晶体库的标准卡作对比,用以确定材料的物相组成.

1.5.2 表面形貌特征 利用场发射扫描电子显微镜(日本Hitach SU8220型)观察分析材料表面形貌及其变化.

1.5.3 化学官能团 利用傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermofisher Nicolet IS50型)测定材料的化学官能团,分析确定其化学结构.

1.5.4 光吸收性能 利用紫外可见分光光度仪(UV-3600型)测定材料的吸光率,分析计算其能带结构.

1.5.5 光生电子-空穴分离效率 利用荧光分光光度计(Fluorolog-3型)和电化学工作站(1470E型)测定材料的复合荧光强度和光电流密度,对比分析其光生电子-空穴分离效率.

1.5.6 自由基捕获检测 利用电子顺磁共振(EPR)波谱仪(EMXplus-10/12型)检测分析光催化反应体系内活性基团的种类.

2 结果与讨论

2.1 物相结构

复合光催化材料物相组成与结构检测的结果如图2所示.g-C3N4在2为12.99°和27.7°上有2个明显的衍射峰,分别对应其(100)晶面和(002)晶面[17].Bi5O7I在以下2角处均出现特征峰:13.95°、14.50°、24.32°、26.31°、29.36°、30.32°、30.57°、31.44°、32.99°,其中两个较强的衍射峰2=26.31°和32.99°分别对应于Bi5O7I的(203)晶面和(510)晶面.所有特征峰均与Bi5O7I的标准卡片(PDF# 75-1467)对应一致,没有其他明显杂峰.这表明,Bi5O7I的纯度高,结晶度好.

图2 Bi5O7 I、g-C3N4和Bi5O7I/g-C3N4复合催化剂的XRD衍射图谱

从图2还可以看到,Bi5O7I/g-C3N4的衍射峰与g-C3N4(002)晶面和Bi5O7I的所有晶面一一对应,没有出现新的峰型.对比g-C3N4和Bi5O7I可知, Bi5O7I/g-C3N4对应于g-C3N4(002)晶面和Bi5O7I (203)晶面的衍射峰强分别降低了70.2%和29%.这表明,制备的Bi5O7I/g-C3N4异质结中并无杂相生成,且异质结在g-C3N4(002)晶面和Bi5O7I(203)晶面发生复合反应.

2.2 化学官能团

g-C3N4､Bi5O7I以及Bi5O7I/g-C3N4光催化剂化学结构的表征结果如图3所示.对于g-C3N4样品,在810cm-1处的吸收峰对应于三嗪C6N7伸缩振动,1200～1650cm-1区域的吸收峰带对应于C-N键以及碳氮杂环的伸缩振动,位于3000～3500cm-1之间的宽吸收带则对应于g-C3N4表面吸附的H2O分子或者残留的氨基基团[17].对于Bi5O7I样品,在552cm-1处的红外吸收峰对应于Bi-O的对称伸缩振动[18],而Bi5O7I/g-C3N4中只呈现了g-C3N4和Bi5O7I的特征吸收峰(分别位于552cm-1、810cm-1、1200～ 1650cm-1、3000～3500cm-1),并无出现新的特征吸收峰.这表明g-C3N4和Bi5O7I两种物质的化学结构在复合过程中没有发生改变,且Bi5O7I/g-C3N4异质结中只含有g-C3N4和Bi5O7I两种组分.

图3 Bi5O7I､g-C3N4和Bi5O7I/g-C3N4的红外光谱

a.波长400～4000cm区域;b.波长400～800cm-1区域放大

2.3 表面形貌特征

光催化剂的表面形态特征对其光催化活性有着重要的影响,g-C3N4、Bi5O7I和Bi5O7I/g-C3N4的形貌特征如图4所示.g-C3N4呈现出大量光滑且不规则的纳米圆片堆叠而成的层状结构,边缘有明显的褶皱和卷曲特征(如图4a中圆圈所示),其纳米片尺寸在200～400nm之间.Bi5O7I则具有大量片状结构的纳米板堆叠而成的花瓣结构(见图4b).当g-C3N4与Bi5O7I复合后,Bi5O7I/g-C3N4异质结光催化剂呈现出三维纳米花瓣结构(见图4c),由g-C3N4纳米圆片点缀在片层花瓣Bi5O7I上生长而成.在Bi5O7I/g-C3N4中,Bi5O7I大量分散且卷折的片层花瓣包裹着g-C3N4纳米圆片,为光生电子-空穴的迁移提供了大量的接触位点[19],有利于光生电子-空穴的分离,提高了光催化活性及其降解反应速度.

图4 光催化剂表面形貌的SEM照片

a.g-C3N4;b.Bi5O7I;c. Bi5O7I/g-C3N4

2.4 光吸收性能

光吸收性能是影响光催化效率的重要因素.g- C3N4、Bi5O7I和Bi5O7I/g-C3N4的光吸收性能测试结果如图5所示.g-C3N4、Bi5O7I和Bi5O7I/g-C3N4在可见光区域呈现出明显的光吸收能力(见图5a).当Bi5O7I/g-C3N4纳米异质结形成后,由于g-C3N4的掺杂改性,Bi5O7I/g-C3N4的可见光吸收能力与Bi5O7I相比明显增强,其光吸收边缘从425nm红移至462nm.

对于半导体光催化剂而言,光响应的性能由半导体的禁带宽度决定.禁带宽度的计算公式如下[20]:

=(- Eg)/2, (1)

式中:,,和分别为光谱吸收系数,普朗克常量,光子频率和比例系数.半导体分为直接半导体与间接半导体,对应的值分别为1和4.通过对图5(b)作切线与横坐标的交点,得到g-C3N4和Bi5O7I的禁带宽度分别为2.40eV和2.59eV.

为了进一步探索能带结构对Bi5O7I/g-C3N4异质结光催化活性的影响,通过下列的公式计算[8]g- C3N4和Bi5O7I相应的导带(CB)和价带(VB)的位置:

ECB =- EC-1/2Eg (2)

EVB = ECB + Eg (3)

式中:是该半导体的绝对电位;EC是相对于氢电位水平的电子自由能(约为4.5eV);Eg为半导体的禁带宽度.通过该方法计算可得g-C3N4的导带(CB)和价带(VB)分别为-0.96eV和1.44eV,而Bi5O7I的导带(CB)和价带(VB)分别为0.43eV和3.02eV.g-C3N4和Bi5O7I的能带计算结果表明,Bi5O7I/g-C3N4的能带排列结构与Z型异质结的结构相匹配[11],Bi5O7I/ g-C3N4为Z型异质结.

图5 Bi5O7I、g-C3N4和Bi5O7I/g-C3N4光吸收性能图谱

a. 紫外可见漫反射光谱图;b. ()1/2相对于的变化图

Bi5O7I/g-C3N4Z型异质结的能带排列与电子迁移机理如图6所示.g-C3N4和Bi5O7I均能被可见光激发从而产生光生电子和空穴,Bi5O7I导带(CB)上的光生电子会与g-C3N4价带(VB)上的空穴复合,而残留的电子和空穴分别滞留于g-C3N4的导带(CB)以及Bi5O7I的价带(VB)上,实现了电子与空穴在空间上的有效分离,显著降低了光生电子和空穴的复合效率,从而增强了其光催化降解性能[11].

图6 Bi5O7I/g-C3N4的能带排列和电子迁移机理示意

2.5 光生电子-空穴分离效率

测试光催化剂的光致发荧光强度和瞬态光电流密度[8,16],能使Bi5O7I/g-C3N4Z型异质结的能带排列结构与电子迁移机理对光生电子-空穴复合效率的影响更清晰.测试分析结果如图7和图8所示.

2.5.1 光致发荧光强度 光致发荧光强度用于衡量光催化剂光生电子-空穴复合效率.光生电子-空穴复合产生的荧光强度越弱,则表明光生电子-空穴复合的效率越低.光催化剂的光生电子-空穴复合荧光强度如图7所示.从图7得到,Bi5O7I/g-C3N4异质结的复合荧光强度与g-C3N4和Bi5O7I对应的强度相比明显减弱.这表明,在g-C3N4和Bi5O7I所形成的Z型异质结中,能带的排列结构和电子迁移模式(图6)抑制了光生电子-空穴的复合过程,使得光生电子与空穴复合所激发的荧光强度减弱.

图7 Bi5O7I、g-C3N4和Bi5O7I/g-C3N4复合催化剂的光致发光谱

图8 Bi5O7I､g-C3N4和Bi5O7I/g-C3N4复合催化剂的瞬态光电流密度

2.5.2 瞬态光电流密度 光催化剂的瞬态光电流密度可以直观地反映出材料光生电子-空穴的产生和分离的效率.光电流密度越大,光催化剂的光生电子-空穴分离效率越高.如图8所示,在可见光条件下,Bi5O7I/g-C3N4的光电流密度最强(11.5mA/cm),约为g-C3N4(4.32mA/cm)和Bi5O7I(7.8mA/cm)的2.66倍和1.47倍.结果表明,Bi5O7I/g-C3N4Z型异质结的光生电子-空穴分离效率提高明显,因而其光催化性能增强.光电流实验结果与光致发光谱的检测分析结果完全吻合,再次证明了Bi5O7I/g-C3N4Z型异质结中的能带排列结构和电子迁移模式(图6)有利于光生电子-空穴的迁移分离.

2.6 光催化活性评价

不同光催化剂对 RhB 的光催化降解性能如图9所示.RhB在不添加催化剂的空白对照组中几乎不发生降解,Bi5O7I的光催化活性略微弱于g-C3N4的活性.在可见光降解RhB 100min后,Bi5O7I和g-C3N4对RhB的降解率分别为49.7%和58.0%.而当Bi5O7I和g-C3N4复合形成纳米异质结后,其对RhB 可见光催化降解效率达到了93.9%.这进一步表明,光吸收性能与光生电子-空穴分离效率的提高,可以显著增强光催化剂的催化活性.

图9 不同光催化剂对RhB的降解率

2.7 自由基检测与反应机理

图10 Bi5O7I/g-C3N4光催化剂的自由基检测实验

图11 捕获自由基的电子顺磁共振波谱

3 结论

3.1 利用沉淀法合成Bi5O7I/g-C3N4的条件为:Bi (NO3)3×5H2O､KI和g-C3N4的投加量分别为4.85g、1.66g和1.61g,乙二醇的用量为50mL,反应液的pH值为12,反应搅拌速度为200r/min,反应温度为25℃.

3.2 制备的Bi5O7I/g-C3N4异质结无杂相生成且纯度高,异质结的复合发生在g-C3N4的(002)晶面和Bi5O7I(203)的晶面,但g-C3N4和Bi5O7I的化学结构未受影响.

3.3 Bi5O7I/g-C3N4呈三维纳米花瓣形貌结构,为光生电子-空穴的迁移提供了大量的接触位点.

3.4 Bi5O7I的g-C3N4掺杂改性使其光催化活性显著增强,其光吸收边缘由425nm红移至462nm, Bi5O7I/g-C3N4的能带排列结构与Z型异质结匹配,促进了光生电子-空穴的分离,其光电流密度(11.5mA/cm)约为g-C3N4(4.32mA/cm)和Bi5O7I (7.8mA/cm)的2.66倍和1.47倍.

3.5 Bi5O7I/g-C3N4对罗丹明B的可见光催化降解率为93.9%,显著高于g-C3N4(58%)和Bi5O7I(49.7%)的降解效果,其光催化氧化活性主要来自羟基基团、超氧基团和光生空穴等中间态自由基.

[1] Cai J, Zhou M, Pan Y, et al. Degradation of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid by anodic oxidation and electro-Fenton using BDD anode: Influencing factors and mechanism [J]. Separation and Purification Technology, 2019,230:115867.

[2] Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode [J]. Nature, 1972,238(5358):37-38.

[3] Yang L, Liang L, Wang L, et al. Accelerated photocatalytic oxidation of carbamazepine by a novel 3D hierarchical protonated g-C3N4/ BiOBr heterojunction: Performance and mechanism [J]. Applied Surface Science, 2019,473(APR.15):527-539.

[4] Vaizoullar A M. Ternary CdS/MoS2/ZnO photocatalyst: synthesis, characterization and degradation of ofloxacin under visible light irradiation [J]. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, 2020,(17).

[5] Gao C, Wei T, Zhang Y, et al. A photoresponsive rutile TiO2heterojunction with enhanced electron-hole separation for high- performance hydrogen evolution [J]. Advanced Materials. 2019,31(8): 1806596-1806602.

[6] Zhang Y L, Zhao Y L, Xiong Z, et al. Elemental mercury removal by I -doped Bi 2WO 6with remarkable visible-light-driven photocatalytic oxidation [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2020:282.

[7] Khore S K, Kadam S R, Kale B B, et al. A green approach: scalable dry media synthesis of a-TaON photocatalyst for solar H2 production and rhodamine B degradation [J]. Sustainable Energy & Fuels, 2020:4.

[8] 王 俏.基于二维超薄卤氧化铋的可见光催化降解水中氯酚的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2019.

Wang qiao. Degradation of chlorophenols in water by visible-light photocatalysts based on two-dimension ultrathin BIOX [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2019.

[9] Eggenweiler U, Ketterer J, Keller E, et al. The crystal structure of-Bi5O7I [J]. Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials, 2001,216(4).

[10] Yang J, Xu L, Liu C, et al. Preparation and photocatalytic activity of porous Bi5O7I nanosheets [J]. Applied Surface Science, 2014,319: 265-271.

[11] 梅邱峰,张飞燕,王 宁,等.二氧化钛基Z型异质结光催化剂[J]. 无机化学学报, 2019,35(8):1321-1339.

Mei Qiufeng, Zhang Feiyan, Wang Ning, et al. Photocatalysts: Z-scheme heterojunction constructed with titanium dioxide [J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2019,35(8):1321-1339.

[12] Zla B, Hu D C, Zw B, et al. Novel p-n type porous Ag 2O/Bi 5O 7I heterojunction for Uv-Vis-NIR activated high efficient photocatalytic degradation of bisphenol A: Photoelectric properties and degradation mechanism [J]. Applied Surface Science, 2020:529.

[13] Zhang Y, Zhu G, Gao J, et al. Synthesis of plasmonic enhance sphere-like Ag/AgI/Bi5O7I photocatalysts with improved visible-light responsive activity under LED light irradiation [J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2017,28(7):5460-5471.

[14] Liu C, Huang H, Xin D, et al. In situ co-crystallization for fabrication of g-C3N4/Bi5O7I heterojunction for enhanced visible- light photocatalysis [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2015,119(30):17156-17165.

[15] Geng Xueqi, Chen S, Lv X, et al. Synthesis of g-C3N4/Bi5O7I microspheres with enhanced photocatalytic activity under visible light [J]. Applied Surface Science, 2018,462:18-28.

[16] 张文东.BiOBr和C3N4的制备,表征及可见光催化氧化罗丹明B性能研究[D]. 重庆:重庆大学, 2015.

Zhang Wendong. Preparation, characteration and visible light photocatalytic oxidation performance of BiOBr and C3N4 in Rhodamine B [D]. Chongqing: Chongqing University, 2015.

[17] Sun Y, Zhang W, Xiong T, et al. Growth of BiOBr nanosheets on C3N4nanosheets to construct two-dimensional nanojunctions with enhanced photoreactivity for NO removal [J]. Journal of Colloid & Interface Science, 2014,418:317-323.

[18] Zhao Z, Wang M, Yang T, et al. In situ co-precipitation for the synthesis of an Ag/AgBr/Bi5O7I heterojunction for enhanced visible- light photocatalysis [J]. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2016,424:8-16.

[19] Ying W, Jing W, Yunfang H, et al. Solvothermal synthesis of Bi2O3/ BiVO4heterojunction with enhanced visible-light photocatalytic performances [J]. Journal of Semiconductors, 2016,37(8):35-44.

[20] Licht, Stuart. Multiple band gap semiconductor/electrolyte solar energy conversion [J]. Journal of Physical Chemistry B, 2001,105(27): 10069-10077.

[21] Ishibashi K I, Fujishima A, Watanabe T, et al. Detection of active oxidative species in TiO2 photocatalysis using the fluorescence Technique [J]. Electrochemistry Communications, 2000,2(3):207-210.

[22] Geng Xueqi, Chen Shuai, Lv Xiang, et al. Synthesis of g-C_3N_4/ Bi_5O_7I microspheres with enhanced photocatalytic activity under visible light [J]. Applied Surface Science, 2018,462:18-28.

Room-temperature precipitation synthesis and photocatalysis of Bi5O7I/g-C3N4Z-scheme heterojunction.

LI Dong-mei1*, LU Wen-cong1, LIANG Yi-cong1, WANG Yi-zhi2, CHEN Hai-qiang1, LI Jun-tian1, XIE Zhen-yu3

(1.Faculty of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China；2.Department of Brain and Cognitive Science, Massachusetts Institute of Technology, MA 02139, USA；3.Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China)., 2021,41(9)：4120～4126

In this work, by using Bi5O7I、KI and g-C3N4as precursors, a novel Bi5O7I/g-C3N4Z-scheme heterojunction has been synthesized successfully by precipitation method at room temperature, its property of light absorption､morphologic structure､efficiency of photogenerated electron-hole were characterized. The visible-light degradation performance on Rhodamine B(RhB)by new type composite photocatalyst､the kinds of radicals and the mechanism in photocatalytic reaction system were studied. The results revealed that: The synthesis conditions of Bi5O7I/g-C3N4by precipitation were shown as follow:4.85g Bi(NO3)3·5H2O, 1.66g KI, 1.61g g-C3N4, 50mL glycol, 12 of reaction pH, 200r/min of reaction stirring rate and ambient reaction temperature(25℃).There’s no impurity and influence on chemical structure of g-C3N4and Bi5O7I during the synthesis process, the recombination of Bi5O7I/g-C3N4crystallographic plane occured on the {002} crystal plane of g-C3N4and the {312} crystal plane of Bi5O7I.The morphologic structure of Bi5O7I/g-C3N4was 3D nano petal-like, which furnished a large number of contacting site for the transfer of photogenerated electron-hole. The doping of g-C3N4on Bi5O7I can significantly enhance photocatalytic activity, its wavelength edge of light absorption shifted to 462nm from 425nm.The band arrangement structure of Bi5O7I/g-C3N4was matched with the Z-scheme heterojunction, which promoted the separation of photogenerated electron-hole, its photocurrent density (11.5mA/cm) is 2.66 and 1.47times than that of g-C3N4(4.32mA/cm) and Bi5O7I(7.8mA/cm) respectively. The photocatalytic degradation rate for RhB by Bi5O7I/g-C3N4under visble light irradiation is 93.9%, which is 1.89 and 1.62times than that of Bi5O7I and g-C3N4respectively, the activity of photocatalytic oxidation was attributed to the intermediate radicals including ·OH､·O2-and h+.

precipitation method at room temperature；Bi5O7I/g-C3N4；Z-scheme heterojunction；visible-light photocatalytic property

X703

A

1000-6923(2021)09-4120-07

李冬梅(1972-),女,湖南娄底人,教授,博士.主要从事高级水处理理论与技术研究.发表论文141篇.

2021-02-08

国家自然科学基金(51378129,51108094);广东省自然科学基金(2017A030313321,2015AS030313494);广东省高教厅-普通高校特色创新类项目(2016KTSCX035)

* 责任作者, 教授, ldm108@gdut.edu.cn