Neuartiger Photokatalysator erreicht 98 % Abbaueffizienz von BPA unter sichtbarem Licht

Photokatalysatoren können Sonnenenergie effektiv nutzen, um organische Schadstoffe abzubauen, was ein erhebliches Anwendungspotenzial in der Wasseraufbereitung bietet. Allerdings hat die ultraschnelle Rekombination photogenerierter Träger die Leistung von Photokatalysatoren stark eingeschränkt.

Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern einen neuartigen Photokatalysator mit einer optimierten g-C3N4/Bi4O5Br2 Z-Typ-Heterostruktur konstruiert, der die photogenerierte Ladungstrennung verbessert und die Erzeugung reaktiver Spezies, die für den Abbauprozess verantwortlich sind, deutlich steigert.

Die Abbaueffizienz von Bisphenol A (BPA) unter sichtbarem Licht lag bei nahezu 98 %, und es wurde ein vollständiger Abbau von Rhodamin B (RhB) erreicht, wobei die Leistung die bestehenden Benchmarks auf diesem Gebiet übertrifft. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Industrielle Chemie und Materialien (ICM) am 24. September 2024.

Photokatalysatoren weisen ein großes Potenzial zur Lösung von Umweltproblemen auf. Seine katalytische Leistung wird jedoch durch die ineffiziente Trennung der photogenerierten Träger und die begrenzte Absorptionskapazität für sichtbares Licht stark eingeschränkt. Um diese Herausforderungen zu meistern, wurden Heteroübergangs-Photokatalysatoren vom Z-Typ in großem Umfang eingesetzt, um die Abbauleistung von Schadstoffen durch die Erleichterung der Übertragung photogenerierter Elektronen zu verbessern.

Liu und Mitarbeiter zeigten, dass eine Mischung aus Wismutoxyhalogenid und Graphen durch Heteroübergänge vom Z-Typ, einen verbesserten Elektronentransfer und eine verringerte Ladungskomplexierung einen effizienten Schadstoffabbau im Sichtbaren erreichen konnte. Diese Verbundwerkstoffe wurden zur Bekämpfung von Schadstoffen wie BPA und RhB eingesetzt und erzielten so erhebliche Abbaueffizienzen.

BPA und RhB sind zwei gängige Chemikalien, die in der Kunststoff-, Harz-, Farbstoff- und anderen Industrie weit verbreitet sind. Trotz ihres breiten Anwendungsspektrums stellen beide potenzielle Gefahren für die Umwelt und die menschliche Gesundheit dar. Die Kontamination von BPA in Gewässern führt zu einer Anreicherung von BPA in Wasserorganismen, wodurch das ökologische Gleichgewicht gestört und möglicherweise die Fortpflanzungs- und Wachstumsprozesse von Pflanzen und Tieren beeinträchtigt werden, während die Kontamination von RhB zur Toxizität von Wasserorganismen führen und Mutationen, Reproduktionsprobleme usw. verursachen kann Wachstumshemmung. Daher ist es besonders wichtig, effiziente und kostengünstige Photokatalysatoren zum Abbau dieser Schadstoffe zu entwickeln.

Den Forschern gelang es, einen Z-Schema-Heteroübergang-g-C3N4/Bi4O5Br2-Photokatalysator für den photokatalytischen Abbau von BPA und RhB zu konstruieren. Die präzise Bandausrichtung dieses Verbundwerkstoffs erweitert nicht nur seinen Lichtreaktionsbereich und verbessert die Redoxfähigkeit, sondern verbessert auch die Trenneffizienz photogenerierter Ladungen und steigert die Produktion dominanter reaktiver Spezies erheblich. CN/BOB-Heterostrukturen mit unterschiedlichen Massenverhältnissen wurden durch eine einfache hydrothermale Synthese und einen postthermischen Behandlungsprozess hergestellt.

Die optimierten CN/BOB-16-Katalysatoren zeigten eine hervorragende photokatalytische Leistung für BPA und RhB unter sichtbarem Licht, wobei die Abbaueffizienz von BPA nahezu 98 % betrug, während RhB innerhalb von 80 Minuten vollständig abgebaut wurde. Diese Ergebnisse sind etwa 1,3-mal höher als die Leistung von g-C3N4 oder Bi4O5Br2 allein und übertreffen die in der neueren Literatur aufgezeichneten Leistungen.

In-situ-Experimente mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (in situ XPS) und Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS) lieferten starke Beweise für die Energiebandanordnung des Z-Schema-Heteroübergangs und enthüllten den photogenerierten Elektronentransferprozess. Die photogenerierten Elektronen wandern unter dem Einfluss des eingebauten elektrischen Feldes von Bi4O5Br2 zu g-C3N4, während die Löcher in Bi4O5Br2 verbleiben. Diese effiziente räumliche Trennung innerhalb der Heterostruktur vom Z-Typ maximiert die photokatalytische Effizienz.

Durch Experimente zum Einfangen von Radikalen und Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) bestätigten die Forscher die Rolle von h+ und O2- als die wichtigsten aktiven Radikale in der photokatalytischen Reaktion. Darüber hinaus verifizierten die Forscher durch First-Principles-Berechnungen die experimentellen Ergebnisse und wiesen darauf hin, dass die Z-Typ-Heterostrukturen eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung aktiver Spezies und der Verbesserung der Abbaueffizienz spielten.

Die Studie liefert nicht nur Einblicke in den Elektronentransfermechanismus von CN/BOB-Heterostrukturen, sondern bestätigt auch die Vorteile von Heterostrukturen vom Z-Typ bei der Reduzierung der Elektron-Loch-Komplexierung und der Verlängerung der Ladungsträgerlebensdauer durch verschiedene spektroskopische und elektrochemische Techniken. Die Schlussfolgerungen des Artikels unterstreichen das Potenzial der CN/BOB-16-Heterostruktur für Anwendungen zur Umweltsanierung und bieten eine wichtige theoretische Grundlage und experimentelle Methode für die Entwicklung neuartiger Photokatalysatoren.

Der nächste Schritt umfasst die Entwicklung effizienterer Heteroübergangs-Photokatalysatoren vom Z-Typ für den Abbau verschiedener organischer Schadstoffe, die Durchführung praktischer Experimente zur Umweltsanierung und die Erstellung relevanter theoretischer Modelle, um tiefere Einblicke in ihre Elektronentransfermechanismen zu gewinnen. Durch diese Bemühungen wollen die Forscher kostengünstige, leistungsstarke und stabile Photokatalysatoren entwickeln und innovative Konzepte und technische Unterstützung für ein nachhaltiges Umweltmanagement bereitstellen.