鉍系之光：BiOI基光催化材料的改性策略與性能優(yōu)化研究

鉍系之光：BiOI基光催化材料的改性策略與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加速，人類社會取得了前所未有的發(fā)展與進(jìn)步，但與此同時(shí)，也面臨著一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，環(huán)境污染和能源短缺問題尤為突出，成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的兩大關(guān)鍵因素。在環(huán)境污染方面，工業(yè)廢水、廢氣的大量排放，導(dǎo)致水資源污染、空氣質(zhì)量惡化。大量含有機(jī)污染物的廢水未經(jīng)有效處理直接排入水體，使得河流、湖泊等水域生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，水中生物多樣性銳減，同時(shí)也威脅到人類的飲用水安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有數(shù)百億噸的工業(yè)廢水排放，其中包含各種染料、苯酚、雙酚A、抗生素、農(nóng)藥等難以降解的有機(jī)污染物，這些污染物在環(huán)境中長時(shí)間殘留，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重威脅。在空氣質(zhì)量方面，工業(yè)廢氣中的氮氧化物（NOx，NO等）、硫氧化物（SO2，SO3等）以及各種揮發(fā)性有機(jī)化合物（甲苯、苯、二甲苯、乙醛、甲醛等）不僅導(dǎo)致霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，還會引發(fā)酸雨等環(huán)境問題，危害人體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等，增加人們患呼吸道疾病、癌癥等的風(fēng)險(xiǎn)。能源短缺問題同樣不容忽視。傳統(tǒng)化石能源如煤炭、石油、天然氣等是目前全球主要的能源來源，但它們屬于不可再生資源，隨著人類的過度開采和消耗，其儲量逐漸減少。據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測，按照當(dāng)前的能源消耗速度，石油資源可能在未來幾十年內(nèi)面臨枯竭，煤炭和天然氣資源也將在有限的時(shí)間內(nèi)逐漸耗盡。此外，化石能源的使用還會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題，如燃燒過程中產(chǎn)生大量的二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致全球氣候變暖，引發(fā)冰川融化、海平面上升、極端氣候事件增多等一系列生態(tài)災(zāi)難。為了解決環(huán)境污染和能源短缺這兩大難題，科學(xué)家們不斷探索和研究各種新技術(shù)、新材料。光催化技術(shù)作為一種綠色、環(huán)保且具有巨大潛力的技術(shù)，受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。光催化技術(shù)的原理基于半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射到半導(dǎo)體材料表面時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子會被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶產(chǎn)生空穴，在導(dǎo)帶產(chǎn)生電子，形成光生電子-空穴對。這些光生載流子具有較強(qiáng)的氧化還原能力，能夠與吸附在半導(dǎo)體表面的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對污染物的降解或能源的轉(zhuǎn)化。在環(huán)境治理領(lǐng)域，光催化技術(shù)可用于降解有機(jī)污染物、分解有害氣體、去除重金屬離子等；在能源領(lǐng)域，可用于光解水制氫、二氧化碳還原制備燃料等。在眾多的光催化材料中，鹵氧化鉍BiOX（X=Cl，Br，I）由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和良好的光催化性能，成為了研究的熱點(diǎn)之一。BiOX的晶體是由雙鹵素離子層和[Bi2O2]2+層逐層堆疊而成，這種結(jié)構(gòu)使得其間存在內(nèi)建電場，能夠有效地減少載流子復(fù)合，從而提高光催化效率。在鹵氧化鉍家族中，BiOI因其具有最窄的禁帶寬度（約為1.7-1.8eV），吸收邊約為680nm，對可見光具有良好的響應(yīng)，在可見光光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢。BiOI能夠在可見光的照射下，利用光生電子和空穴的氧化還原能力，降解各種有機(jī)污染物，如亞甲基藍(lán)、硝酸熒光素、苯酚、羅丹明B等，還可用于太陽光催化分解水制備氧氣和氫氣、光催化殺菌等。例如，Shu等采用水熱法成功制備的球狀結(jié)構(gòu)BiOI催化劑，在可見光下不僅具有較高的光催化活性，而且具有很好的吸收性能，并且回收重復(fù)利用效果顯著，說明BiOI催化劑有較好的穩(wěn)定性。Yang等人通過UV-Vis-Light驅(qū)動方法成功制備出的花球狀介孔BiOI光催化劑（KermesinusBiOI，K-BiOI），在UV-Vis光照射下顯示出優(yōu)良的氫氣產(chǎn)生速率6.51mmol?g-1?h-1，這比在紫外光照射下片狀BiOI的產(chǎn)氫速率高21倍。然而，BiOI光催化劑也存在一些局限性，如較低的電荷轉(zhuǎn)移率和較高的載流子復(fù)合率，這在一定程度上限制了其光催化性能的進(jìn)一步提升和實(shí)際應(yīng)用。此外，BiOI的比表面積相對較小，對污染物的吸附能力有限，也影響了其光催化性能的充分發(fā)揮。為了克服這些問題，提高BiOI的光催化性能，對其進(jìn)行制備工藝的優(yōu)化和改性研究具有重要意義。通過對BiOI制備方法的研究，可以精確控制其晶體結(jié)構(gòu)、形貌和尺寸，從而影響其光催化性能。不同的制備方法，如水熱法、溶劑熱法、水相沉淀法、微波輔助法等，會導(dǎo)致BiOI具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和形貌，進(jìn)而影響其光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合過程，以及對光的吸收和利用效率。對BiOI進(jìn)行改性研究也是提高其光催化性能的關(guān)鍵。常見的改性方法包括元素?fù)诫s、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、表面修飾等。元素?fù)诫s可以引入雜質(zhì)能級，改變BiOI的能帶結(jié)構(gòu)，抑制光生電子-空穴對的復(fù)合；構(gòu)建異質(zhì)結(jié)可以利用不同半導(dǎo)體材料之間的能帶差異，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸；表面修飾則可以改善BiOI的表面性質(zhì)，提高其對污染物的吸附能力和光催化活性。本研究聚焦于BiOI材料，深入研究其制備方法、改性策略及其光催化性能，旨在通過優(yōu)化制備工藝和改性手段，提高BiOI的光催化活性、穩(wěn)定性和電荷轉(zhuǎn)移效率，為解決環(huán)境問題和能源危機(jī)提供新的材料選擇和技術(shù)支持。研究成果對于推動光催化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的高效降解和太陽能的有效利用，緩解環(huán)境污染和能源短缺問題具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有望為相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考，促進(jìn)光催化技術(shù)在環(huán)境治理和能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.2BiOI材料概述BiOI作為鹵氧化鉍家族中的重要成員，屬于四方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由[Bi?O?]2?層和雙I?離子層沿c軸方向交替堆疊而成。在[Bi?O?]2?層里，鉍（Bi）原子通過氧（O）原子以Bi-O鍵相互連接，形成了具備一定穩(wěn)定性的骨架層狀結(jié)構(gòu)，雙I?離子層穿插于[Bi?O?]2?層之間，憑借離子鍵與[Bi?O?]2?層相互作用。這種特殊的層狀結(jié)構(gòu)，賦予了BiOI一系列獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)與光催化性能。從晶體結(jié)構(gòu)層面分析，BiOI層間作用力相對較弱，這一特性為其帶來諸多特殊性能。在光催化進(jìn)程中，該層狀結(jié)構(gòu)對光生載流子的傳輸與分離極為有利。由于層間離子鍵較弱，光生電子和空穴在層間遷移時(shí)受到的散射較少，能夠更高效地抵達(dá)催化劑表面，參與氧化還原反應(yīng)。例如，相關(guān)研究表明，在以BiOI為光催化劑降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，光生載流子能夠快速從體相傳輸?shù)奖砻妫沟脕喖谆{(lán)的降解效率顯著提高。而且，這種層狀結(jié)構(gòu)為反應(yīng)物分子提供了更為豐富的吸附位點(diǎn)，增大了反應(yīng)物與催化劑的接觸面積，有利于提高光催化反應(yīng)的效率。在光學(xué)性質(zhì)方面，BiOI具有較窄的禁帶寬度，約為1.7-1.8eV，其吸收邊約為680nm，這使得它能夠?qū)梢姽猱a(chǎn)生良好的響應(yīng)。與一些傳統(tǒng)的光催化劑如TiO?（銳鈦礦型TiO?的禁帶寬度約為3.2eV，主要吸收紫外光）相比，BiOI能夠利用太陽光中更豐富的可見光部分，從而大大提高了對太陽能的利用效率。在可見光照射下，BiOI的價(jià)帶電子能夠吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對，這些光生載流子具有較強(qiáng)的氧化還原能力，能夠引發(fā)一系列的光催化反應(yīng)，如將有機(jī)污染物氧化分解為二氧化碳和水等無害小分子。從化學(xué)穩(wěn)定性考量，BiOI表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。在光照條件下，BiOI不僅能夠維持降解活性，同時(shí)也能夠保持其本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，具有延長光催化劑使用壽命的優(yōu)勢。這使得BiOI在實(shí)際應(yīng)用中，能夠在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的光催化性能，減少了催化劑的更換頻率，降低了使用成本。在光催化性能上，BiOI展現(xiàn)出較高的活性，可用于降解多種有機(jī)污染物，如亞甲基藍(lán)、羅丹明B、苯酚等染料以及一些抗生素、農(nóng)藥等有機(jī)污染物。研究表明，在可見光照射下，BiOI能夠有效地將這些有機(jī)污染物分解為二氧化碳、水和無害的小分子物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對廢水和廢氣的凈化。如在處理含有羅丹明B的模擬廢水時(shí)，BiOI光催化劑能夠在一定時(shí)間內(nèi)將羅丹明B降解90%以上，表現(xiàn)出良好的光催化降解效果。同時(shí)，BiOI還具有一定的光催化分解水制氫和光催化殺菌等能力，在能源和環(huán)境領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。二、BiOI基光催化材料的制備方法2.1水熱法水熱法是在19世紀(jì)中葉，由地質(zhì)學(xué)家模擬自然界成礦作用開始研究的一種材料制備方法。該方法屬于液相化學(xué)法的范疇，是指在密封的壓力容器（如高壓反應(yīng)釜）中，以水為溶劑，在高溫高壓的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。其原理主要基于溶解-再結(jié)晶機(jī)理。在水熱反應(yīng)過程中，首先，作為原料的鉍鹽（如硝酸鉍Bi(NO?)?）和碘鹽（如碘化鉀KI）等營養(yǎng)料在水熱介質(zhì)里溶解，以離子（如Bi3?、I?）、分子團(tuán)的形式進(jìn)入溶液。由于反應(yīng)釜內(nèi)上下部分存在溫度差，會產(chǎn)生強(qiáng)烈對流，這些離子、分子或離子團(tuán)被輸運(yùn)到放有籽晶（若有）的生長區(qū)（通常為低溫區(qū)），形成過飽和溶液，進(jìn)而溶質(zhì)從溶液中結(jié)晶析出，形成BiOI晶體。以制備BiOI微米棒為例，具體實(shí)驗(yàn)過程如下：將一定量的Bi(NO?)??5H?O和KI分別溶解在去離子水中，在攪拌條件下將KI溶液緩慢滴加到Bi(NO?)?溶液中，繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，使溶液混合均勻。隨后，將混合溶液轉(zhuǎn)移至帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，填充度一般控制在60%-80%左右，以避免反應(yīng)過程中因壓力過大導(dǎo)致危險(xiǎn)。密封反應(yīng)釜后，將其放入烘箱中，在120-180℃的溫度下反應(yīng)12-24小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜中的產(chǎn)物，通過離心分離，用去離子水和無水乙醇多次洗滌，以去除表面殘留的雜質(zhì)離子，最后在60-80℃的烘箱中干燥，即可得到BiOI微米棒。在制備BiOI納米片時(shí)，實(shí)驗(yàn)條件會有所調(diào)整。同樣將Bi(NO?)?和KI配制成溶液并混合，但在反應(yīng)過程中，可能會加入一些表面活性劑（如十六烷基三甲基溴化銨CTAB）來調(diào)控晶體的生長方向和形貌。反應(yīng)溫度一般控制在100-150℃，反應(yīng)時(shí)間8-16小時(shí)。通過表面活性劑的作用，抑制晶體在某些方向的生長，從而促使BiOI沿著特定晶面生長形成納米片狀結(jié)構(gòu)。水熱法制備BiOI具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，在水熱條件下，水的物理化學(xué)性質(zhì)（如密度、粘度、介電常數(shù)等）會發(fā)生顯著變化，這使得反應(yīng)物的溶解、分散過程以及化學(xué)反應(yīng)活性大大提高或增強(qiáng)，有利于晶體的生長和結(jié)晶，能夠制備出結(jié)晶度高、純度好的BiOI材料。其次，通過精確控制反應(yīng)條件，如水熱溫度、反應(yīng)時(shí)間、溶液的pH值、反應(yīng)物濃度等，可以有效地調(diào)控BiOI的晶體結(jié)構(gòu)、形貌和尺寸。例如，通過改變反應(yīng)溫度，當(dāng)溫度較低時(shí)，晶體生長速度較慢，可能形成較小尺寸的顆粒；而溫度較高時(shí)，晶體生長速度加快，可能得到較大尺寸的晶體或特定形貌的結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)溶液的pH值也會影響B(tài)iOI的生長，不同的pH環(huán)境會改變離子的存在形式和反應(yīng)活性，從而影響晶體的成核和生長過程。此外，水熱法是在密閉體系中進(jìn)行反應(yīng)，能夠有效防止有毒物質(zhì)的揮發(fā)，減少對環(huán)境的污染，同時(shí)也適合制備對空氣敏感的前驅(qū)體。然而，水熱法也存在一些局限性。一方面，水熱反應(yīng)通常需要在高溫高壓的條件下進(jìn)行，這對反應(yīng)設(shè)備的要求較高，需要使用耐壓、耐高溫的反應(yīng)釜等設(shè)備，增加了設(shè)備成本和實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性。同時(shí)，高溫高壓條件也帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，若操作不當(dāng)，可能會引發(fā)爆炸等安全事故。另一方面，水熱法的生產(chǎn)效率相對較低，反應(yīng)時(shí)間較長，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。而且，在水熱反應(yīng)過程中，由于反應(yīng)體系較為復(fù)雜，影響因素眾多，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性有時(shí)不夠理想，難以精確控制產(chǎn)物的質(zhì)量和性能。2.2溶劑熱法溶劑熱法是在水熱法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種材料制備方法，其原理是在密閉體系（如高壓反應(yīng)釜）中，以有機(jī)物或非水溶媒作為溶劑，在一定溫度和溶液自生壓力下，使原始混合物發(fā)生反應(yīng)。在溶劑熱反應(yīng)過程中，一種或幾種前驅(qū)體溶解在非水溶劑里，在液相或超臨界條件下，反應(yīng)物分散在溶液中并變得較為活潑，從而發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物緩慢生成。以制備BiOI納米片為例，實(shí)驗(yàn)步驟如下：將硝酸鉍（Bi(NO?)?）和碘化鉀（KI）按照一定化學(xué)計(jì)量比分別溶解在乙二醇等有機(jī)溶劑中，充分?jǐn)嚢枋谷苜|(zhì)完全溶解。將兩種溶液混合，持續(xù)攪拌1-2小時(shí)，確保溶液混合均勻，使Bi3?和I?充分接觸，為后續(xù)反應(yīng)提供均勻的反應(yīng)環(huán)境。接著將混合溶液轉(zhuǎn)移至帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，密封反應(yīng)釜。將反應(yīng)釜放入烘箱，在150-200℃下反應(yīng)6-12小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，打開反應(yīng)釜，通過離心分離得到產(chǎn)物，用無水乙醇和蒸餾水多次洗滌，以去除表面殘留的雜質(zhì)和有機(jī)溶劑，最后在60-80℃下干燥，得到BiOI納米片。溶劑熱法與水熱法的主要區(qū)別在于所使用的溶劑不同，水熱法以水為溶劑，而溶劑熱法采用有機(jī)溶劑或有機(jī)溶劑與水的混合溶劑。由于有機(jī)溶劑的物理化學(xué)性質(zhì)（如沸點(diǎn)、介電常數(shù)、粘度等）與水有很大差異，這使得溶劑熱法在制備材料時(shí)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢。例如，在溶劑熱條件下，溶劑的性質(zhì)（密度、粘度、分散作用等）相互影響且變化較大，與通常條件下相差甚遠(yuǎn)，這使得反應(yīng)物（通常是固體）的溶解、分散過程以及化學(xué)反應(yīng)活性大大提高或增強(qiáng)，從而能夠在相對較低的溫度下發(fā)生反應(yīng)。此外，有機(jī)溶劑的選擇可以影響晶體的生長習(xí)性和形貌，通過選擇不同的有機(jī)溶劑或調(diào)節(jié)溶劑的比例，可以制備出具有不同形貌和結(jié)構(gòu)的BiOI材料，如納米棒狀、泡沫狀、球形或多面體狀的BiOI產(chǎn)物。許多研究表明，溶劑熱法對BiOI的晶體結(jié)構(gòu)和光催化性能有著顯著影響。如在某研究中，使用乙醇作為溶劑，通過溶劑熱法制備了BiOI納米片。XRD分析表明，所得BiOI納米片具有良好的結(jié)晶度，晶體結(jié)構(gòu)完整。TEM和SEM圖像顯示，納米片尺寸均勻，厚度約為20-30nm，且具有較大的比表面積。在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，該溶劑熱法制備的BiOI納米片表現(xiàn)出較高的光催化活性，在可見光照射下，60分鐘內(nèi)對亞甲基藍(lán)的降解率達(dá)到90%以上，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)水熱法制備的BiOI材料。這主要是因?yàn)槿軇岱ㄖ苽涞腂iOI納米片具有更規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，有利于光生載流子的傳輸和對污染物的吸附，從而提高了光催化性能。再如，另一研究采用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作為溶劑，制備出了具有特殊形貌的BiOI微球。這種BiOI微球由納米片組裝而成，形成了多孔結(jié)構(gòu)。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，該BiOI微球展現(xiàn)出良好的光催化性能，其光催化活性高于普通的BiOI材料。這是由于特殊的多孔結(jié)構(gòu)增加了光的散射和吸收，提高了對光的利用效率，同時(shí)也為反應(yīng)物提供了更多的吸附位點(diǎn)，促進(jìn)了光催化反應(yīng)的進(jìn)行。2.3水相沉淀法水相沉淀法是一種較為常見的制備BiOI材料的方法，其原理基于沉淀反應(yīng)。在水相體系中，將鉍鹽（如硝酸鉍Bi(NO?)?）和碘鹽（如碘化鉀KI）的溶液混合，鉍離子（Bi3?）和碘離子（I?）在溶液中迅速反應(yīng)，生成BiOI沉淀。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：Bi3?+I?+H?O→BiOI↓+2H?。以制備BiOI納米顆粒為例，具體操作流程如下：首先，將一定量的Bi(NO?)??5H?O溶解于去離子水中，攪拌至完全溶解，形成透明的溶液。然后，將適量的KI也溶解于去離子水中，得到KI溶液。在劇烈攪拌的條件下，將KI溶液緩慢滴加到Bi(NO?)?溶液中，此時(shí)溶液中會迅速產(chǎn)生沉淀。繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，使反應(yīng)充分進(jìn)行。反應(yīng)結(jié)束后，通過離心分離的方式將沉淀從溶液中分離出來，用去離子水和無水乙醇多次洗滌沉淀，以去除表面殘留的雜質(zhì)離子和未反應(yīng)的原料。最后，將洗滌后的沉淀在60-80℃的烘箱中干燥，即可得到BiOI納米顆粒。水相沉淀法制備的BiOI產(chǎn)物具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。在形貌方面，通過控制反應(yīng)條件，如反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、溶液pH值等，可以制備出不同形貌的BiOI，常見的形貌有立方體、圓柱體等。在晶體結(jié)構(gòu)上，該方法制備的BiOI通常具有較好的結(jié)晶度，晶體結(jié)構(gòu)相對完整。而且，水相沉淀法操作相對簡單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和高溫高壓等特殊條件，成本較低，適合大規(guī)模制備BiOI材料。在制備特定形貌BiOI時(shí)，水相沉淀法具有一定的優(yōu)勢。例如，通過精確控制反應(yīng)條件，可以較為容易地制備出具有規(guī)則形狀的BiOI晶體，這對于研究BiOI的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系具有重要意義。而且，由于該方法操作簡單、成本低，在大規(guī)模制備特定形貌BiOI時(shí)，具有較高的性價(jià)比。然而，水相沉淀法也存在一些局限性。一方面，該方法制備的BiOI顆粒尺寸分布往往較寬，難以精確控制顆粒的尺寸和形貌的均一性。這是因?yàn)樵诔恋磉^程中，晶體的成核和生長速度難以精確調(diào)控，導(dǎo)致顆粒大小不一。另一方面，水相沉淀法制備的BiOI比表面積相對較小，這會影響其對污染物的吸附能力和光催化活性。此外，由于反應(yīng)在水溶液中進(jìn)行，可能會引入一些雜質(zhì)，如水中的溶解氧、微量金屬離子等，這些雜質(zhì)可能會對BiOI的光催化性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。2.4微波輔助法微波輔助法是一種利用微波的特殊作用來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的材料制備方法。微波是一種頻率介于300MHz至300GHz的電磁波，在微波輔助反應(yīng)過程中，微波能夠與反應(yīng)物分子相互作用，使分子產(chǎn)生高頻振動和轉(zhuǎn)動。這種快速的分子運(yùn)動導(dǎo)致分子間的碰撞頻率大幅增加，從而產(chǎn)生內(nèi)熱，使反應(yīng)體系迅速升溫。同時(shí)，微波的電磁場還能對反應(yīng)物分子產(chǎn)生極化作用，增強(qiáng)分子的活性，進(jìn)一步促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。以制備BiOI為例，具體實(shí)驗(yàn)過程如下：將一定量的硝酸鉍（Bi(NO?)?）和碘化鉀（KI）分別溶解在去離子水中，配制成一定濃度的溶液。將兩種溶液混合，攪拌均勻，使Bi3?和I?充分混合。將混合溶液轉(zhuǎn)移至帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的微波反應(yīng)容器中，放入微波反應(yīng)器中。在設(shè)定的微波功率（如300-600W）和反應(yīng)時(shí)間（5-15min）下進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，待反應(yīng)體系冷卻至室溫，通過離心分離得到產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇多次洗滌，以去除表面殘留的雜質(zhì)，最后在60-80℃下干燥，得到BiOI材料。微波輔助法具有反應(yīng)速率快的顯著特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波能夠直接作用于反應(yīng)物分子，使反應(yīng)體系迅速升溫，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。例如，在傳統(tǒng)水熱法制備BiOI時(shí)，反應(yīng)時(shí)間通常需要數(shù)小時(shí)甚至更長，而微波輔助法僅需幾分鐘即可完成反應(yīng)。這是因?yàn)槲⒉ǖ目焖偌訜嶙饔檬沟梅磻?yīng)物分子能夠迅速獲得足夠的能量，克服反應(yīng)的活化能，從而加快了反應(yīng)速率。而且，微波的快速加熱和均勻作用，能夠使反應(yīng)體系在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻的高溫狀態(tài)，有利于晶體的快速成核和生長，從而制備出結(jié)晶度高、純度好的BiOI材料。在制備特定形貌BiOI時(shí)，微波輔助法也具有一定的優(yōu)勢。通過控制微波的功率、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)物濃度等條件，可以對BiOI的晶體生長進(jìn)行調(diào)控，從而制備出具有不同形貌的BiOI，如球形、菱形、立方體等。例如，當(dāng)微波功率較低、反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，可能會生成尺寸較小的BiOI顆粒；而提高微波功率和延長反應(yīng)時(shí)間，則可能得到尺寸較大或具有特定形貌的BiOI晶體。研究表明，微波輔助法制備的BiOI在光催化性能方面也具有一定的優(yōu)勢。由于其結(jié)晶度高、晶體結(jié)構(gòu)完整，光生載流子的復(fù)合率較低，從而提高了光催化活性。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，微波輔助法制備的BiOI在可見光照射下，對羅丹明B的降解效率明顯高于傳統(tǒng)水相沉淀法制備的BiOI。這是因?yàn)槲⒉ㄝo助法制備的BiOI具有更好的晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，有利于光生載流子的傳輸和對污染物的吸附，從而提高了光催化性能。然而，微波輔助法也存在一些局限性。一方面，微波設(shè)備價(jià)格相對較高，增加了實(shí)驗(yàn)成本和工業(yè)化生產(chǎn)的門檻。另一方面，微波反應(yīng)過程中，由于反應(yīng)速度快，對反應(yīng)條件的控制要求較高，若操作不當(dāng)，可能會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較差。此外，微波輔助法制備的BiOI產(chǎn)量相對較低，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。三、BiOI基光催化材料的改性方法3.1元素?fù)诫s元素?fù)诫s是一種通過向BiOI晶格中引入外來元素，從而改變其晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而提高其光催化性能的有效方法。根據(jù)摻雜元素的種類，可分為金屬元素?fù)诫s和非金屬元素?fù)诫s。3.1.1金屬元素?fù)诫s常見的用于摻雜BiOI的金屬元素包括過渡金屬（如Fe、Co、Ni、Cu、Zn等）和稀土金屬（如Ce、La、Eu等）。這些金屬元素的摻雜會對BiOI的能帶結(jié)構(gòu)、光生載流子復(fù)合率以及光催化性能產(chǎn)生顯著影響。以Fe摻雜BiOI為例，研究表明，適量的Fe摻雜能夠在BiOI的禁帶中引入雜質(zhì)能級，從而改變其能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)Fe原子取代BiOI晶格中的Bi原子時(shí)，由于Fe的電子結(jié)構(gòu)與Bi不同，會導(dǎo)致BiOI的電子云分布發(fā)生變化，進(jìn)而在禁帶中形成新的能級。這些雜質(zhì)能級可以作為光生載流子的捕獲中心，延長光生載流子的壽命，抑制光生電子-空穴對的復(fù)合。在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)e摻雜的BiOI在可見光照射下，對亞甲基藍(lán)的降解效率明顯高于未摻雜的BiOI。這是因?yàn)镕e摻雜引入的雜質(zhì)能級能夠促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，使更多的光生載流子能夠參與到光催化反應(yīng)中，從而提高了光催化活性。然而，當(dāng)Fe摻雜量過高時(shí)，過多的雜質(zhì)能級會成為光生載流子的復(fù)合中心，反而降低光催化性能。再如，Zn摻雜BiOI也具有類似的效果。Zn摻雜能夠調(diào)控BiOI的帶隙能量，優(yōu)化其能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)Zn原子進(jìn)入BiOI晶格后，會引起晶格畸變，改變BiOI的電子結(jié)構(gòu)，從而使帶隙能量發(fā)生變化。這種帶隙的調(diào)控使得BiOI對光的吸收范圍和吸收強(qiáng)度發(fā)生改變，有利于提高對太陽能的利用效率。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，適量Zn摻雜的BiOI表現(xiàn)出較高的光催化活性，在可見光照射下，能夠在較短時(shí)間內(nèi)將羅丹明B降解。這是由于Zn摻雜改善了BiOI的載流子分離效果，增強(qiáng)了光催化活性。同時(shí)，Zn摻雜還可以提高BiOI的穩(wěn)定性，減少光催化劑在反應(yīng)過程中的損耗。此外，稀土金屬Ce摻雜BiOI也受到了廣泛關(guān)注。Ce具有多種價(jià)態(tài)（Ce3?和Ce??），在摻雜過程中，Ce的不同價(jià)態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移。當(dāng)Ce摻雜BiOI時(shí)，Ce??可以捕獲光生電子，被還原為Ce3?，而Ce3?又可以被氧化為Ce??，從而形成一個(gè)電子傳輸通道，加速光生載流子的分離和傳輸。在光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，Ce摻雜的BiOI在可見光照射下，對苯酚的降解效率明顯提高。這是因?yàn)镃e摻雜形成的電子傳輸通道有效地抑制了光生電子-空穴對的復(fù)合，提高了光生載流子的利用率，進(jìn)而增強(qiáng)了光催化性能。3.1.2非金屬元素?fù)诫s非金屬元素?fù)诫s是指將C、N、S、F等非金屬元素引入BiOI晶格中，從而改變其光催化性能的方法。其原理主要是通過非金屬元素與BiOI晶格中的原子形成化學(xué)鍵，改變晶體的電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合過程。以N摻雜BiOI為例，N原子的半徑與O原子相近，在摻雜過程中，N原子可以部分取代BiOI晶格中的O原子。由于N的電負(fù)性與O不同，這會導(dǎo)致BiOI的電子云分布發(fā)生變化，從而在禁帶中引入新的能級。這些新能級能夠使BiOI的光吸收范圍向可見光區(qū)拓展，提高對太陽能的利用效率。相關(guān)研究表明，N摻雜的BiOI在可見光照射下，對亞甲基藍(lán)的降解效率顯著提高。這是因?yàn)镹摻雜引入的新能級使得BiOI能夠吸收更多的可見光，產(chǎn)生更多的光生電子-空穴對，同時(shí)，新能級還能夠促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，減少光生載流子的復(fù)合，從而提高了光催化活性。又如，S摻雜BiOI也能有效提升其光催化性能。S原子的外層電子結(jié)構(gòu)與I原子有一定差異，當(dāng)S摻雜BiOI時(shí)，會改變BiOI的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。S的摻雜可以使BiOI的導(dǎo)帶和價(jià)帶發(fā)生移動，從而改變其能帶結(jié)構(gòu)。這種能帶結(jié)構(gòu)的改變有利于光生載流子的產(chǎn)生和分離，提高光催化活性。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，S摻雜的BiOI在可見光照射下，對羅丹明B的降解速率明顯加快。這是因?yàn)镾摻雜優(yōu)化了BiOI的能帶結(jié)構(gòu)，使得光生電子-空穴對能夠更有效地參與光催化反應(yīng)，提高了光催化性能。此外，F(xiàn)摻雜BiOI同樣具有重要作用。F原子的電負(fù)性較大，在摻雜過程中，F(xiàn)原子可以與BiOI晶格中的I原子發(fā)生置換反應(yīng)。F的摻雜能夠改變BiOI的表面性質(zhì)，增加表面活性位點(diǎn)，同時(shí)也會影響B(tài)iOI的能帶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)摻雜的BiOI在可見光照射下，對有機(jī)污染物的吸附能力增強(qiáng)，光催化活性也得到提高。這是因?yàn)镕摻雜增加了BiOI表面的活性位點(diǎn)，有利于反應(yīng)物的吸附和反應(yīng)，同時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)的改變也促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，從而提高了光催化性能。3.2構(gòu)建異質(zhì)結(jié)3.2.1BiOI與其他半導(dǎo)體構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是提升BiOI光催化性能的一種極為有效的策略，其核心在于將BiOI與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，借助不同半導(dǎo)體之間的能帶差異，實(shí)現(xiàn)光生載流子的高效分離與傳輸，進(jìn)而提升光催化效率。常見的與BiOI構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體材料涵蓋了TiO?、ZnO、CdS、g-C?N?等。TiO?是一種被廣泛研究且應(yīng)用的半導(dǎo)體光催化劑，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性高、價(jià)格相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，然而其禁帶寬度較大（銳鈦礦型TiO?約為3.2eV），主要吸收紫外光，對太陽能的利用效率較低。當(dāng)BiOI與TiO?構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于BiOI的禁帶寬度較窄（約為1.7-1.8eV），能夠吸收可見光，而TiO?具有較高的光生載流子遷移率和氧化還原能力。在光照射下，BiOI吸收可見光產(chǎn)生光生電子-空穴對，由于兩者的能帶結(jié)構(gòu)差異，BiOI導(dǎo)帶上的電子會轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而TiO?價(jià)帶上的空穴會轉(zhuǎn)移到BiOI的價(jià)帶上，從而實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離。這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)大大降低了光生電子-空穴對的復(fù)合幾率，提高了光催化活性。相關(guān)研究表明，在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，BiOI/TiO?異質(zhì)結(jié)催化劑在可見光照射下，對羅丹明B的降解效率明顯高于單一的BiOI或TiO?催化劑。ZnO也是一種重要的半導(dǎo)體材料，具有良好的光學(xué)和電學(xué)性能，其禁帶寬度約為3.37eV。BiOI與ZnO構(gòu)建異質(zhì)結(jié)后，同樣能夠利用兩者的能帶差異促進(jìn)光生載流子的分離。在異質(zhì)結(jié)界面處，光生電子和空穴會分別向不同的半導(dǎo)體材料遷移，從而減少復(fù)合。研究發(fā)現(xiàn)，BiOI/ZnO異質(zhì)結(jié)在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的光催化性能，在可見光照射下，能夠在較短時(shí)間內(nèi)將亞甲基藍(lán)降解。這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)的形成使得光生載流子能夠更有效地參與光催化反應(yīng)，提高了光催化活性。CdS是一種窄禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度約為2.4eV，對可見光有較好的響應(yīng)。當(dāng)BiOI與CdS構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，兩者的能帶結(jié)構(gòu)相互匹配，能夠形成有效的電子轉(zhuǎn)移通道。在光照射下，BiOI和CdS分別產(chǎn)生光生電子-空穴對，由于能帶的差異，電子和空穴會在異質(zhì)結(jié)界面處發(fā)生定向轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)光生載流子的分離和傳輸。例如，在某研究中，制備的BiOI/CdS異質(zhì)結(jié)在可見光照射下，對有機(jī)污染物的降解效率顯著提高，展現(xiàn)出良好的光催化性能。g-C?N?是一種類石墨相的氮化碳材料，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，能夠吸收可見光。BiOI與g-C?N?構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩者的能帶結(jié)構(gòu)存在差異，在光激發(fā)下，BiOI價(jià)帶上的空穴和g-C?N?導(dǎo)帶上的電子會在異質(zhì)結(jié)界面處發(fā)生復(fù)合，而BiOI導(dǎo)帶上的電子和g-C?N?價(jià)帶上的空穴則被保留下來，參與光催化反應(yīng)。這種電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制有效地提高了光生載流子的分離效率，增強(qiáng)了光催化活性。在光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，BiOI/g-C?N?異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出較高的光催化活性，在可見光照射下，對苯酚的降解效果明顯優(yōu)于單一的BiOI或g-C?N?。3.2.2異質(zhì)結(jié)類型及對光催化性能的影響根據(jù)不同半導(dǎo)體材料之間的能帶匹配關(guān)系和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，異質(zhì)結(jié)可分為Ⅱ型異質(zhì)結(jié)、S型異質(zhì)結(jié)等，不同類型的異質(zhì)結(jié)具有獨(dú)特的特點(diǎn)和作用機(jī)制，對BiOI光催化性能產(chǎn)生不同的影響。Ⅱ型異質(zhì)結(jié)是較為常見的一種異質(zhì)結(jié)類型。在Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中，兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置存在差異，當(dāng)光照射到異質(zhì)結(jié)體系時(shí)，兩種半導(dǎo)體分別產(chǎn)生光生電子-空穴對。由于導(dǎo)帶和價(jià)帶的能級差，電子會從導(dǎo)帶位置較高的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶位置較低的半導(dǎo)體，空穴則從價(jià)帶位置較低的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到價(jià)帶位置較高的半導(dǎo)體，從而實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離。以BiOI/TiO?Ⅱ型異質(zhì)結(jié)為例，BiOI的導(dǎo)帶位置高于TiO?的導(dǎo)帶位置，在光激發(fā)下，BiOI產(chǎn)生的光生電子會轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而TiO?產(chǎn)生的光生空穴會轉(zhuǎn)移到BiOI的價(jià)帶上。這種電荷轉(zhuǎn)移方式使得光生電子和空穴分別在不同的半導(dǎo)體上富集，降低了它們的復(fù)合幾率，提高了光生載流子的壽命，從而增強(qiáng)了光催化活性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在可見光照射下，BiOI/TiO?Ⅱ型異質(zhì)結(jié)光催化降解羅丹明B的效率明顯高于單一的BiOI或TiO?。在相同的光照時(shí)間內(nèi)，單一BiOI對羅丹明B的降解率為50%左右，單一TiO?對羅丹明B的降解率僅為30%左右，而BiOI/TiO?Ⅱ型異質(zhì)結(jié)的降解率可達(dá)80%以上。S型異質(zhì)結(jié)是近年來受到廣泛關(guān)注的一種異質(zhì)結(jié)類型，其電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制與Ⅱ型異質(zhì)結(jié)有所不同。在S型異質(zhì)結(jié)中，光生載流子的轉(zhuǎn)移不僅依賴于半導(dǎo)體的能帶位置，還涉及到界面處的氧化還原反應(yīng)。在光激發(fā)下，兩種半導(dǎo)體分別產(chǎn)生光生電子-空穴對，具有較強(qiáng)氧化能力的半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴和具有較強(qiáng)還原能力的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子在界面處復(fù)合，而具有較強(qiáng)氧化還原能力的光生載流子則被保留下來參與光催化反應(yīng)。以BiOI/g-C?N?S型異質(zhì)結(jié)為例，g-C?N?的價(jià)帶空穴具有較強(qiáng)的氧化能力，BiOI的導(dǎo)帶電子具有較強(qiáng)的還原能力，在光激發(fā)下，g-C?N?價(jià)帶的空穴和BiOI導(dǎo)帶的電子在界面處復(fù)合，而g-C?N?導(dǎo)帶的電子和BiOI價(jià)帶的空穴則被保留，分別參與還原和氧化反應(yīng)。這種電荷轉(zhuǎn)移方式不僅實(shí)現(xiàn)了光生載流子的有效分離，還保留了具有較強(qiáng)氧化還原能力的光生載流子，提高了光催化反應(yīng)的驅(qū)動力，從而增強(qiáng)了光催化性能。研究表明，在光催化降解鹽酸四環(huán)素的實(shí)驗(yàn)中，BiOI/g-C?N?S型異質(zhì)結(jié)在可見光照射下，對鹽酸四環(huán)素的降解效率明顯高于BiOI/g-C?N?Ⅱ型異質(zhì)結(jié)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，BiOI/g-C?N?Ⅱ型異質(zhì)結(jié)對鹽酸四環(huán)素的降解率為60%左右，而BiOI/g-C?N?S型異質(zhì)結(jié)的降解率可達(dá)90%以上。3.3表面修飾3.3.1貴金屬修飾貴金屬修飾是一種常用的表面修飾方法，主要通過在BiOI表面負(fù)載Au、Ag、Pt等貴金屬納米顆粒，來提升其光催化性能。這種修飾方法的原理基于表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)和肖特基勢壘的形成。當(dāng)光照射到負(fù)載有貴金屬納米顆粒的BiOI表面時(shí)，貴金屬納米顆粒中的自由電子會發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生表面等離子體共振現(xiàn)象。這種共振能夠增強(qiáng)光的吸收，使BiOI在更寬的波長范圍內(nèi)吸收光，從而提高光生載流子的產(chǎn)生效率。同時(shí)，貴金屬與BiOI之間形成的肖特基勢壘，能夠有效地促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，降低光生電子-空穴對的復(fù)合率。以Ag修飾BiOI為例，在制備過程中，可采用光沉積法，將BiOI分散在含有Ag?的溶液中，在光照條件下，溶液中的Ag?被光生電子還原，在BiOI表面沉積形成Ag納米顆粒。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，Ag修飾的BiOI表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的光催化活性。在可見光照射下，未修飾的BiOI在120分鐘內(nèi)對羅丹明B的降解率約為60%，而Ag修飾的BiOI在相同時(shí)間內(nèi)對羅丹明B的降解率可達(dá)90%以上。這是因?yàn)锳g納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)了光的吸收，使BiOI能夠產(chǎn)生更多的光生電子-空穴對。同時(shí)，Ag與BiOI之間形成的肖特基勢壘，促進(jìn)了光生電子從BiOI向Ag的轉(zhuǎn)移，減少了光生電子-空穴對的復(fù)合，從而提高了光催化活性。而且，Ag修飾還可以提高BiOI的穩(wěn)定性。在多次循環(huán)使用后，Ag修飾的BiOI仍然能夠保持較高的光催化活性，這是因?yàn)锳g納米顆粒的存在抑制了BiOI表面的光腐蝕現(xiàn)象，延長了光催化劑的使用壽命。又如，Au修飾BiOI也能顯著提高其光催化性能。通過化學(xué)還原法將Au納米顆粒負(fù)載在BiOI表面，在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，Au修飾的BiOI在可見光照射下，對亞甲基藍(lán)的降解速率明顯加快。這是由于Au納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)了光的吸收，同時(shí)Au與BiOI之間形成的肖特基勢壘促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，提高了光催化活性。研究還發(fā)現(xiàn)，Au修飾的BiOI對光的吸收范圍也有所拓寬，能夠吸收更多的可見光，進(jìn)一步提高了太陽能的利用效率。3.3.2有機(jī)分子修飾有機(jī)分子修飾是通過將有機(jī)分子吸附或化學(xué)鍵合在BiOI表面，來改善其表面性質(zhì)和光催化性能。有機(jī)分子修飾的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是改變BiOI的表面電荷性質(zhì)和表面能，從而影響其對反應(yīng)物的吸附能力；二是利用有機(jī)分子的特殊結(jié)構(gòu)和功能，增強(qiáng)光生載流子的分離和傳輸效率；三是通過有機(jī)分子與BiOI之間的相互作用，調(diào)節(jié)BiOI的能帶結(jié)構(gòu)，提高對光的吸收和利用效率。以采用具有共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子如對苯二甲酸（TPA）修飾BiOI為例，在修飾過程中，TPA分子通過與BiOI表面的Bi或O原子形成化學(xué)鍵，吸附在BiOI表面。在光催化降解甲基橙的實(shí)驗(yàn)中，TPA修飾的BiOI表現(xiàn)出較好的光催化性能。在可見光照射下，未修飾的BiOI對甲基橙的降解率在150分鐘內(nèi)約為50%，而TPA修飾的BiOI在相同時(shí)間內(nèi)對甲基橙的降解率可達(dá)70%以上。這是因?yàn)門PA分子的共軛結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)光的吸收，使BiOI在可見光區(qū)的吸收強(qiáng)度增加，從而產(chǎn)生更多的光生電子-空穴對。同時(shí)，TPA分子在BiOI表面的吸附改變了BiOI的表面電荷分布，增加了對甲基橙分子的吸附能力，使更多的甲基橙分子能夠吸附在BiOI表面，參與光催化反應(yīng)。此外，TPA分子與BiOI之間的相互作用還能夠促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，降低光生電子-空穴對的復(fù)合率，進(jìn)一步提高了光催化活性。再如，利用含有氨基的有機(jī)分子如乙二胺（EDA）修飾BiOI，在修飾過程中，EDA分子通過氨基與BiOI表面的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸附在BiOI表面。在光催化降解鹽酸四環(huán)素的實(shí)驗(yàn)中，EDA修飾的BiOI在可見光照射下，對鹽酸四環(huán)素的降解效率明顯提高。這是因?yàn)镋DA分子的氨基具有較強(qiáng)的給電子能力，能夠與BiOI表面的原子形成化學(xué)鍵，改變BiOI的表面電子結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。同時(shí)，EDA分子的存在增加了BiOI表面的堿性位點(diǎn)，提高了對鹽酸四環(huán)素的吸附能力，使更多的鹽酸四環(huán)素分子能夠吸附在BiOI表面，參與光催化反應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)，EDA修飾的BiOI對光的吸收范圍也有所拓寬，能夠吸收更多的可見光，提高了太陽能的利用效率。四、BiOI基光催化材料的光催化性能及影響因素4.1BiOI基光催化材料的光催化性能4.1.1光催化降解有機(jī)物BiOI基光催化材料在光催化降解有機(jī)物領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的性能，能夠有效降解多種有機(jī)污染物，如染料、酚類、抗生素、農(nóng)藥等。這些有機(jī)污染物廣泛存在于工業(yè)廢水、生活污水等水體中，對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。以常見的染料污染物亞甲基藍(lán)為例，許多研究詳細(xì)探討了BiOI對其的降解過程和效果。在典型的實(shí)驗(yàn)中，將一定量的BiOI光催化劑加入到含有亞甲基藍(lán)的溶液中，在黑暗條件下攪拌一段時(shí)間，使催化劑與亞甲基藍(lán)充分吸附達(dá)到吸附-解吸平衡。隨后，將反應(yīng)體系置于可見光照射下，開啟光催化反應(yīng)。隨著光照時(shí)間的增加，亞甲基藍(lán)溶液的顏色逐漸變淺，表明其濃度在不斷降低。通過紫外-可見分光光度計(jì)測定不同時(shí)間點(diǎn)亞甲基藍(lán)溶液在其特征吸收波長（通常為664nm）處的吸光度，根據(jù)朗伯-比爾定律（A=εbc，其中A為吸光度，ε為摩爾吸光系數(shù)，b為光程，c為物質(zhì)的濃度），可以計(jì)算出亞甲基藍(lán)的濃度變化，進(jìn)而得到降解率。研究表明，在可見光照射下，BiOI對亞甲基藍(lán)具有較高的降解活性。例如，某研究采用水熱法制備的BiOI納米片，在可見光照射60分鐘后，對初始濃度為10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液的降解率可達(dá)85%以上。這是因?yàn)锽iOI具有較窄的禁帶寬度，能夠吸收可見光產(chǎn)生光生電子-空穴對。光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠?qū)喖谆{(lán)分子氧化分解，而光生電子則可以與溶液中的溶解氧反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性的活性氧物種（如?O??、?OH等），這些活性氧物種也能夠參與亞甲基藍(lán)的降解反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對亞甲基藍(lán)的高效降解。除亞甲基藍(lán)外，BiOI對其他染料如羅丹明B、甲基橙等也具有良好的降解效果。在降解羅丹明B時(shí)，BiOI同樣能夠在可見光照射下將其分解為小分子物質(zhì)。羅丹明B是一種具有共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)染料，其分子結(jié)構(gòu)中的發(fā)色基團(tuán)在光催化作用下被破壞，導(dǎo)致顏色褪去。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在一定條件下，BiOI光催化劑在可見光照射120分鐘內(nèi)，可使羅丹明B的降解率達(dá)到90%左右。對于甲基橙，BiOI也能在可見光的激發(fā)下，通過光生載流子和活性氧物種的作用，實(shí)現(xiàn)對其有效降解。在某實(shí)驗(yàn)中，采用溶劑熱法制備的BiOI材料，在可見光照射下，對甲基橙的降解率在150分鐘內(nèi)可達(dá)到70%以上。在酚類污染物降解方面，BiOI也表現(xiàn)出一定的光催化活性。苯酚是一種常見的酚類污染物，具有毒性和生物難降解性。BiOI在可見光照射下，通過光生電子-空穴對和活性氧物種的氧化作用，能夠逐步將苯酚分解為二氧化碳和水等無害小分子。研究表明，在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件下，BiOI光催化劑對苯酚的降解率在數(shù)小時(shí)內(nèi)可達(dá)到50%以上。在抗生素降解方面，隨著抗生素在醫(yī)藥、養(yǎng)殖等領(lǐng)域的廣泛使用，其在環(huán)境中的殘留問題日益嚴(yán)重。BiOI光催化材料能夠在可見光下對多種抗生素進(jìn)行降解，如四環(huán)素、環(huán)丙沙星等。以四環(huán)素為例，BiOI在光催化過程中，通過光生載流子和活性氧物種的作用，破壞四環(huán)素分子的結(jié)構(gòu)，使其失去生物活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定條件下，BiOI光催化劑在可見光照射下，對四環(huán)素的降解率在數(shù)小時(shí)內(nèi)可達(dá)到60%以上。在農(nóng)藥降解方面，BiOI同樣展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。許多農(nóng)藥具有毒性和持久性，對土壤和水體環(huán)境造成污染。BiOI在可見光照射下，能夠降解一些常見的農(nóng)藥，如有機(jī)磷農(nóng)藥、有機(jī)氯農(nóng)藥等。通過光催化反應(yīng)，將農(nóng)藥分子分解為無害的小分子物質(zhì)，從而降低農(nóng)藥對環(huán)境的危害。4.1.2光解水制氫光解水制氫是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的重要途徑，對于解決能源短缺和環(huán)境問題具有重要意義。BiOI基光催化材料在光解水制氫領(lǐng)域也得到了一定的研究和應(yīng)用。BiOI的光解水制氫過程基于其光催化原理。當(dāng)能量大于BiOI禁帶寬度的光照射到BiOI材料表面時(shí)，BiOI的價(jià)帶電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對。在光解水反應(yīng)中，光生電子具有還原性，能夠?qū)⑺械臍潆x子還原為氫氣；而光生空穴具有氧化性，能夠?qū)⑺趸癁檠鯕?。然而，由于BiOI本身存在一些局限性，如光生載流子復(fù)合率較高、電荷轉(zhuǎn)移效率較低等，其光解水制氫效率相對較低。為了提高BiOI的光解水制氫效率，研究人員采用了多種改性方法。例如，通過元素?fù)诫s引入雜質(zhì)能級，改變BiOI的能帶結(jié)構(gòu)，抑制光生電子-空穴對的復(fù)合。如在BiOI中摻雜Fe元素，適量的Fe摻雜能夠在BiOI的禁帶中引入雜質(zhì)能級，這些雜質(zhì)能級可以作為光生載流子的捕獲中心，延長光生載流子的壽命，從而提高光解水制氫效率。在某研究中，F(xiàn)e摻雜的BiOI在可見光照射下，光解水制氫速率相比未摻雜的BiOI提高了約50%。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)也是提高BiOI光解水制氫效率的有效方法。通過將BiOI與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，利用不同半導(dǎo)體之間的能帶差異，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。以BiOI/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，在光照射下，BiOI吸收可見光產(chǎn)生光生電子-空穴對，由于BiOI和TiO?的能帶結(jié)構(gòu)差異，BiOI導(dǎo)帶上的電子會轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而TiO?價(jià)帶上的空穴會轉(zhuǎn)移到BiOI的價(jià)帶上，從而實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離，提高光解水制氫效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，BiOI/TiO?異質(zhì)結(jié)的光解水制氫速率比單一的BiOI提高了約2倍。貴金屬修飾也能提升BiOI的光解水制氫性能。在BiOI表面負(fù)載Au、Ag、Pt等貴金屬納米顆粒，利用貴金屬的表面等離子體共振效應(yīng)和肖特基勢壘的形成，增強(qiáng)光的吸收，促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，降低光生電子-空穴對的復(fù)合率。例如，Ag修飾的BiOI在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，在可見光照射下，其產(chǎn)氫速率明顯提高。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，Ag修飾的BiOI的光解水制氫速率比未修飾的BiOI提高了約3倍。影響B(tài)iOI光解水制氫效率的因素眾多。光的強(qiáng)度和波長對光解水制氫效率有顯著影響。較強(qiáng)的光強(qiáng)度能夠提供更多的光子能量，促進(jìn)光生載流子的產(chǎn)生，從而提高制氫效率。不同波長的光對BiOI的激發(fā)效果不同，BiOI對可見光有較好的響應(yīng)，因此在可見光范圍內(nèi)，選擇合適波長的光照射能夠提高光解水制氫效率。催化劑的用量也會影響制氫效率。在一定范圍內(nèi)，增加催化劑的用量，能夠提供更多的光催化活性位點(diǎn)，從而提高制氫效率。但當(dāng)催化劑用量超過一定值時(shí)，過多的催化劑會導(dǎo)致光的散射增加，光的吸收效率降低，反而使制氫效率下降。反應(yīng)體系的pH值也會對光解水制氫效率產(chǎn)生影響。不同的pH值會影響水的電離程度和光生載流子的傳輸過程，從而影響制氫效率。一般來說，在酸性或堿性條件下，光解水制氫效率可能會有所提高，但具體的最佳pH值會因?qū)嶒?yàn)條件和催化劑的不同而有所差異。4.1.3其他光催化應(yīng)用BiOI基光催化材料除了在光催化降解有機(jī)物和光解水制氫方面具有應(yīng)用外，在光催化殺菌、CO?還原等領(lǐng)域也展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力。在光催化殺菌方面，BiOI的光催化殺菌原理基于其在光照下產(chǎn)生的光生電子-空穴對和活性氧物種。當(dāng)光照射到BiOI表面時(shí)，產(chǎn)生的光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠氧化細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸等，破壞細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能；光生電子則可以與溶液中的溶解氧反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性的活性氧物種（如?O??、?OH等），這些活性氧物種也能夠攻擊細(xì)菌細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。研究表明，BiOI在可見光照射下，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見細(xì)菌具有良好的殺菌效果。在某實(shí)驗(yàn)中，將BiOI光催化劑與大腸桿菌懸液混合，在可見光照射下，經(jīng)過一定時(shí)間后，大腸桿菌的存活率顯著降低，殺菌率可達(dá)90%以上。在CO?還原方面，BiOI光催化材料可以利用太陽能將CO?轉(zhuǎn)化為有用的燃料或化學(xué)品，如甲烷（CH?）、甲醇（CH?OH）等，這對于緩解溫室效應(yīng)和能源危機(jī)具有重要意義。其反應(yīng)原理是在光照射下，BiOI產(chǎn)生的光生電子具有還原性，能夠?qū)O?還原為CO、CH?等產(chǎn)物，而光生空穴則參與水的氧化反應(yīng)。然而，BiOI在CO?還原過程中，存在光生載流子復(fù)合率高、反應(yīng)選擇性低等問題，限制了其CO?還原效率和產(chǎn)物選擇性。為了提高BiOI的CO?還原性能，研究人員采用了多種改性策略。例如，通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，將BiOI與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，利用不同半導(dǎo)體之間的能帶差異，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高CO?還原效率。如BiOI/g-C?N?異質(zhì)結(jié)在光催化CO?還原實(shí)驗(yàn)中，表現(xiàn)出比單一BiOI更高的CO?還原活性和產(chǎn)物選擇性。在某研究中，BiOI/g-C?N?異質(zhì)結(jié)在可見光照射下，CO?還原生成CH?的速率比單一BiOI提高了約3倍。4.2影響B(tài)iOI基光催化材料光催化性能的因素4.2.1材料本身因素材料本身的性質(zhì)對BiOI基光催化材料的光催化性能起著至關(guān)重要的作用，其中包括能帶結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷、尺寸等多個(gè)方面。能帶結(jié)構(gòu)是影響B(tài)iOI光催化性能的關(guān)鍵因素之一。BiOI的禁帶寬度約為1.7-1.8eV，這使其能夠吸收可見光，產(chǎn)生光生電子-空穴對。然而，光生載流子的復(fù)合率較高，限制了其光催化效率。通過元素?fù)诫s、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等改性方法，可以改變BiOI的能帶結(jié)構(gòu)，降低光生載流子的復(fù)合率，提高光催化性能。例如，在BiOI中摻雜金屬元素Fe，F(xiàn)e的引入會在BiOI的禁帶中形成雜質(zhì)能級，這些雜質(zhì)能級可以作為光生載流子的捕獲中心，延長光生載流子的壽命，從而提高光催化活性。BiOI的形貌對其光催化性能也有顯著影響。不同形貌的BiOI具有不同的比表面積、晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而影響其對光的吸收、光生載流子的傳輸和對反應(yīng)物的吸附能力。常見的BiOI形貌有納米片、納米棒、納米球、花狀結(jié)構(gòu)等。以納米片和納米棒形貌的BiOI為例，納米片具有較大的比表面積，能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，有利于反應(yīng)物的吸附，從而提高光催化反應(yīng)速率。在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，納米片結(jié)構(gòu)的BiOI對亞甲基藍(lán)的吸附量明顯高于納米棒結(jié)構(gòu)的BiOI，在相同的光照條件下，納米片結(jié)構(gòu)的BiOI對亞甲基藍(lán)的降解率更高。而納米棒結(jié)構(gòu)的BiOI由于其特殊的晶體生長方向，在光生載流子的傳輸方面具有優(yōu)勢，能夠促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高光催化效率。研究表明，在光催化分解水制氫實(shí)驗(yàn)中，納米棒結(jié)構(gòu)的BiOI能夠更有效地傳輸光生電子，從而提高了光解水制氫的效率?；罱Y(jié)構(gòu)的BiOI由多個(gè)納米片或納米棒組裝而成，形成了多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅增加了比表面積，還能夠增強(qiáng)光的散射和吸收，提高對光的利用效率。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，花狀結(jié)構(gòu)的BiOI在可見光照射下，對羅丹明B的降解效率明顯高于普通的BiOI結(jié)構(gòu)。缺陷也是影響B(tài)iOI光催化性能的重要因素。缺陷可以在BiOI的能帶中引入新的能級，從而影響光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合過程。常見的缺陷類型有點(diǎn)缺陷（如空位、間隙原子）、線缺陷（如位錯(cuò)）、面缺陷（如晶界）等。適量的缺陷可以作為光生載流子的捕獲中心，延長光生載流子的壽命，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，從而提高光催化性能。例如，氧空位是BiOI中常見的一種缺陷，當(dāng)BiOI中存在氧空位時(shí)，氧空位可以捕獲光生電子，使光生電子-空穴對的復(fù)合率降低，同時(shí)，氧空位還可以增強(qiáng)BiOI對反應(yīng)物分子的吸附能力，提高光催化活性。然而，過多的缺陷會成為光生載流子的復(fù)合中心，降低光催化性能。材料的尺寸對BiOI的光催化性能也有影響。當(dāng)BiOI的尺寸減小到納米尺度時(shí)，會產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會導(dǎo)致BiOI的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，禁帶寬度增大，光生載流子的遷移率和復(fù)合率也會發(fā)生改變。此外，納米尺寸的BiOI具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于反應(yīng)物的吸附和光催化反應(yīng)的進(jìn)行。例如，納米尺寸的BiOI在光催化降解有機(jī)物時(shí)，由于其較大的比表面積，能夠更有效地吸附有機(jī)物分子，提高光催化反應(yīng)速率。然而，尺寸過小也可能導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合幾率增加，因?yàn)楣馍d流子在小尺寸的材料中更容易相互靠近并復(fù)合。4.2.2反應(yīng)條件因素反應(yīng)條件對BiOI基光催化材料的光催化性能同樣有著重要影響，其中光源和pH值是兩個(gè)關(guān)鍵的反應(yīng)條件因素。光源的類型和強(qiáng)度對BiOI的光催化性能起著至關(guān)重要的作用。BiOI對可見光具有良好的響應(yīng)，不同類型的光源其光譜分布不同，會導(dǎo)致BiOI的光催化活性產(chǎn)生顯著差異。常見的光源包括紫外燈、氙燈（模擬太陽光）、LED燈等。紫外燈發(fā)射的主要是紫外線，能量較高，能夠激發(fā)BiOI產(chǎn)生光生電子-空穴對，但由于其波長較短，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。氙燈能夠模擬太陽光，包含了從紫外到可見光的較寬光譜范圍，更符合實(shí)際應(yīng)用場景。在以氙燈為光源的光催化降解實(shí)驗(yàn)中，BiOI對亞甲基藍(lán)的降解效率明顯高于以紫外燈為光源的情況。這是因?yàn)锽iOI在可見光區(qū)域有較好的吸收，氙燈提供的可見光能夠充分激發(fā)BiOI，產(chǎn)生更多的光生載流子，從而提高光催化活性。LED燈具有能耗低、壽命長、波長可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，通過選擇不同波長的LED燈，可以研究BiOI在特定波長光下的光催化性能。研究表明，當(dāng)使用波長接近BiOI吸收邊（約680nm）的LED燈時(shí)，BiOI對有機(jī)污染物的降解效率較高，因?yàn)榇藭r(shí)BiOI能夠更有效地吸收光子能量，產(chǎn)生光生載流子。光強(qiáng)也是影響光催化性能的重要因素。在一定范圍內(nèi)，增加光強(qiáng)能夠提高光生載流子的產(chǎn)生速率，從而提高光催化反應(yīng)速率。這是因?yàn)楣鈴?qiáng)增加，單位時(shí)間內(nèi)照射到BiOI表面的光子數(shù)量增多，激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-空穴對也相應(yīng)增加。然而，當(dāng)光強(qiáng)超過一定值時(shí)，光催化反應(yīng)速率可能不再增加，甚至?xí)陆?。這是因?yàn)楣鈴?qiáng)過高會導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合速率加快，同時(shí)還可能引起催化劑表面的溫度升高，導(dǎo)致催化劑的活性降低。例如，在某研究中，當(dāng)光強(qiáng)從100mW/cm2增加到300mW/cm2時(shí)，BiOI光催化降解羅丹明B的速率逐漸增加；但當(dāng)光強(qiáng)繼續(xù)增加到500mW/cm2時(shí)，降解速率反而略有下降。溶液的pH值對BiOI的光催化性能也有顯著影響。不同的pH值會影響B(tài)iOI表面的電荷性質(zhì)、反應(yīng)物的存在形式以及光生載流子的傳輸過程。在酸性條件下，溶液中H?濃度較高，可能會與BiOI表面的活性位點(diǎn)結(jié)合，改變其表面電荷性質(zhì)，從而影響對反應(yīng)物的吸附能力。同時(shí)，酸性條件下可能會促進(jìn)某些有機(jī)污染物的質(zhì)子化，改變其分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性。在堿性條件下，溶液中OH?濃度較高，OH?可以與光生空穴反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的?OH自由基，增強(qiáng)光催化氧化能力。例如，在光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溶液pH值為堿性時(shí)，BiOI表面帶負(fù)電荷，有利于帶正電荷的苯酚分子的吸附，同時(shí)OH?與光生空穴反應(yīng)生成的?OH自由基能夠更有效地氧化苯酚分子，使得苯酚的降解效率明顯提高。而在酸性條件下，由于BiOI表面電荷性質(zhì)的改變和反應(yīng)物分子結(jié)構(gòu)的變化，苯酚的降解效率相對較低。此外，不同的有機(jī)污染物在不同pH值下的降解情況也有所不同，這與污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密切相關(guān)。五、BiOI基光催化材料的應(yīng)用領(lǐng)域5.1水污染治理水污染是當(dāng)今全球面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問題之一，工業(yè)廢水、生活污水等的排放導(dǎo)致大量有機(jī)污染物和重金屬離子進(jìn)入水體，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重威脅。BiOI基光催化材料憑借其獨(dú)特的光催化性能，在水污染治理領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，主要體現(xiàn)在降解有機(jī)污染物和還原重金屬離子兩個(gè)方面。在降解有機(jī)污染物方面，BiOI能夠利用光生電子-空穴對和活性氧物種的氧化作用，將水中的有機(jī)污染物分解為二氧化碳、水和無害的小分子物質(zhì)。印染廢水是一種典型的含有大量有機(jī)污染物的工業(yè)廢水，其成分復(fù)雜，含有多種染料、助劑等，具有色度高、化學(xué)需氧量（COD）高、可生化性差等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的處理方法往往難以達(dá)到理想的處理效果。BiOI基光催化材料在處理印染廢水方面表現(xiàn)出了良好的性能。例如，有研究采用水熱法制備了BiOI納米片，并將其用于處理含有亞甲基藍(lán)的印染廢水。在可見光照射下，BiOI納米片能夠迅速吸附亞甲基藍(lán)分子，并通過光催化反應(yīng)將其降解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光照60分鐘后，亞甲基藍(lán)的降解率可達(dá)90%以上，印染廢水的色度和COD顯著降低。這是因?yàn)锽iOI納米片具有較大的比表面積，能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，使亞甲基藍(lán)分子更容易被吸附在其表面。同時(shí)，BiOI在可見光的激發(fā)下，產(chǎn)生的光生電子-空穴對能夠與亞甲基藍(lán)分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將其逐步分解為小分子物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)印染廢水的凈化。除了亞甲基藍(lán)，BiOI對其他常見的印染廢水染料如羅丹明B、甲基橙等也具有良好的降解效果。在處理含有羅丹明B的印染廢水時(shí)，BiOI能夠在可見光照射下，通過光生載流子和活性氧物種的作用，破壞羅丹明B分子的共軛結(jié)構(gòu)，使其顏色褪去并分解為無害的小分子。研究表明，在一定條件下，BiOI光催化劑能夠在120分鐘內(nèi)將羅丹明B的濃度降低95%以上，有效去除印染廢水中的有機(jī)污染物。對于甲基橙，BiOI同樣能夠在可見光的激發(fā)下，實(shí)現(xiàn)對其高效降解。在某實(shí)驗(yàn)中，采用溶劑熱法制備的BiOI材料，在可見光照射下，對甲基橙的降解率在150分鐘內(nèi)可達(dá)到80%以上，使印染廢水的水質(zhì)得到明顯改善。在還原重金屬離子方面，BiOI光催化材料也發(fā)揮著重要作用。許多重金屬離子如Cr(VI)、Hg(II)、Pb(II)等具有毒性，在水體中難以降解，會對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成嚴(yán)重危害。BiOI在光照射下產(chǎn)生的光生電子具有還原性，能夠?qū)⒏邇r(jià)態(tài)的重金屬離子還原為低價(jià)態(tài)或金屬單質(zhì)，從而降低其毒性。以Cr(VI)為例，Cr(VI)具有強(qiáng)氧化性和致癌性，對環(huán)境和人體健康危害極大。BiOI光催化劑在可見光照射下，能夠?qū)r(VI)還原為毒性較低的Cr(III)。研究表明，通過構(gòu)建BiOI與其他半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)，如BiOI/TiO?異質(zhì)結(jié)，能夠進(jìn)一步提高對Cr(VI)的還原效率。在某實(shí)驗(yàn)中，BiOI/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑在可見光照射下，對Cr(VI)的還原率在60分鐘內(nèi)可達(dá)到90%以上，有效降低了水體中Cr(VI)的濃度，減少了其對環(huán)境的危害。再如，對于Hg(II)，BiOI光催化材料能夠在光生電子的作用下，將Hg(II)還原為Hg(0)，使其從水體中分離出來。在實(shí)驗(yàn)中，將BiOI光催化劑加入到含有Hg(II)的溶液中，在可見光照射下，Hg(II)逐漸被還原為Hg(0)，通過離心等方法可以將Hg(0)從溶液中去除，從而實(shí)現(xiàn)對含汞廢水的凈化。對于Pb(II)，BiOI同樣能夠在光催化過程中，將其還原為金屬Pb，降低其在水體中的含量。5.2空氣凈化隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，空氣污染問題日益嚴(yán)重，空氣中的有害氣體如甲醛、NO?等對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成了極大的威脅。甲醛是一種常見的室內(nèi)空氣污染物，主要來源于裝修材料、家具、粘合劑等，具有刺激性氣味，長期接觸會導(dǎo)致呼吸道疾病、過敏反應(yīng)甚至癌癥。NO?主要來源于汽車尾氣、工業(yè)廢氣排放等，會形成酸雨、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題，對人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成損害。BiOI基光催化材料在空氣凈化領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，能夠有效降解這些有害氣體，改善空氣質(zhì)量。BiOI降解甲醛的原理基于其光催化特性。在可見光照射下，BiOI價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對。光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠?qū)⑽皆贐iOI表面的水分子氧化為具有強(qiáng)氧化性的?OH自由基，同時(shí)，光生電子能夠與空氣中的氧氣反應(yīng)生成?O??自由基。這些自由基具有很強(qiáng)的氧化能力，能夠?qū)⒓兹┓肿又鸩窖趸纸鉃槎趸己退葻o害物質(zhì)。其反應(yīng)過程如下：\begin{align*}BiOI+h\nu&\rightarrowe^-+h^+\\h^++H_2O&\rightarrow?·OH+H^+\\e^-+O_2&\rightarrow?·O_2^-\\HCHO+?·OH/?·O_2^-&\rightarrowCO_2+H_2O\end{align*}研究表明，BiOI對甲醛具有良好的降解效果。在某實(shí)驗(yàn)中，將BiOI光催化劑負(fù)載在載體上，置于含有甲醛的密閉空間中，在可見光照射下，甲醛濃度隨著時(shí)間的延長逐漸降低。當(dāng)光照時(shí)間為3小時(shí)時(shí)，甲醛的降解率可達(dá)70%以上。這是因?yàn)锽iOI能夠充分吸收可見光，產(chǎn)生大量的光生載流子，這些光生載流子通過與水分子和氧氣反應(yīng)生成的自由基，能夠有效地氧化分解甲醛分子。而且，通過對BiOI進(jìn)行改性，如構(gòu)建BiOI與其他半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)，能夠進(jìn)一步提高其對甲醛的降解效率。例如，BiOI/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑在可見光照射下，對甲醛的降解率在相同時(shí)間內(nèi)可比單一BiOI提高20%以上。這是由于異質(zhì)結(jié)的形成促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，提高了光催化活性。在降解NO?方面，BiOI同樣發(fā)揮著重要作用。NO?在空氣中主要以NO和NO?的形式存在，BiOI在光催化過程中，光生電子和空穴能夠與NO?發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為硝酸根離子（NO??）等無害物質(zhì)。其反應(yīng)機(jī)理如下：光生空穴首先將NO氧化為NO?，然后NO?進(jìn)一步被氧化為NO??，而光生電子則參與反應(yīng)維持電荷平衡。相關(guān)研究表明，在模擬太陽光照射下，BiOI光催化劑對NO的降解率在一定時(shí)間內(nèi)可達(dá)50%以上。而且，通過優(yōu)化制備工藝和改性方法，如采用水熱法制備具有特殊形貌的BiOI，或?qū)iOI進(jìn)行元素?fù)诫s，能夠提高其對NO?的降解性能。例如，采用水熱法制備的花狀BiOI，由于其具有較大的比表面積和特殊的結(jié)構(gòu)，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)對NO?的吸附和光催化反應(yīng)能力，在相同條件下對NO的降解率可比普通BiOI提高30%左右。再如，F(xiàn)e摻雜的BiOI在光催化降解NO?時(shí)，由于Fe的摻雜改變了BiOI的能帶結(jié)構(gòu)，抑制了光生載流子的復(fù)合，使得光催化活性提高，對NO?的降解效率明顯增強(qiáng)。5.3能源領(lǐng)域隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾?，開發(fā)高效、可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。BiOI基光催化材料在能源領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用潛力，尤其是在光解水制氫和CO?還原制備燃料方面。光解水制氫是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的理想方式，氫氣作為一種清潔能源，燃燒產(chǎn)物僅為水，不會產(chǎn)生溫室氣體和其他污染物，被視為未來能源的重要候選者。BiOI由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，在光解水制氫領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢。在光解水制氫過程中，BiOI在光的激發(fā)下，價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對。光生電子具有還原性，能夠?qū)⑺械臍潆x子還原為氫氣；光生空穴具有氧化性，能夠?qū)⑺趸癁檠鯕狻Ｈ欢?，BiOI單獨(dú)作為光催化劑時(shí)，存在光生載流子復(fù)合率高、電荷轉(zhuǎn)移效率低等問題，導(dǎo)致其光解水制氫效率相對較低。為了提高BiOI的光解水制氫效率，研究人員采用了多種改性策略。例如，通過元素?fù)诫s引入雜質(zhì)能級，改變BiOI的能帶結(jié)構(gòu)，抑制光生電子-空穴對的復(fù)合。在BiOI中摻雜Fe元素，適量的Fe摻雜能夠在BiOI的禁帶中引入雜質(zhì)能級，這些雜質(zhì)能級可以作為光生載流子的捕獲中心，延長光生載流子的壽命，從而提高光解水制氫效率。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)也是提高BiOI光解水制氫效率的有效方法。將BiOI與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，利用不同半導(dǎo)體之間的能帶差異，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。如BiOI/TiO?異質(zhì)結(jié)，在光照射下，BiOI吸收可見光產(chǎn)生光生電子-空穴對，由于BiOI和TiO?的能帶結(jié)構(gòu)差異，BiOI導(dǎo)帶上的電子會轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而TiO?價(jià)帶上的空