氧空位BiVO4@g-C3N5核壳Z型异质结的构筑及其在可见光催化降解抗生素、还原重金属与产过氧化氢中的应用研究

《ACS Omega》：Direct Z-Scheme BiVO4@g-C3N5 Core–Shell Heterostructure for Efficient Visible-Light-Driven Ciprofloxacin Degradation, Chromium Reduction, and Oxygen Reduction Reactions

本文报道了一种具有氧空位的BiVO4@g-C3N5（BC1:3）核壳Z型异质结光催化剂，通过简单的水热-煅烧法合成。该催化剂在可见光下展现出卓越的多功能光催化性能：对环丙沙星（CIP）的降解率高达95.12%，对Cr(VI)的还原效率为91.4%，并能高效生成H2O2（1824.44 μM L–1）。其增强的活性归因于核壳结构促进的电荷分离、Z型机制保留的强氧化还原能力以及氧空位拓宽的光响应范围，为水体净化和绿色合成提供了新材料。

　　

材料与方法

研究通过改良水热法合成氧空位BiVO₄（BVO），再与3-氨基-1,2,4-三唑和氯化铵前驱体经煅烧制备不同质量比（1:1至1:4）的OV-BiVO₄@g-C₃N₅复合材料。表征手段包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）、光致发光光谱（PL）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及电化学阻抗谱（EIS）等。

表征分析

XRD与FTIR证实复合材料成功构建，BVO为单斜晶系，g-C₃N₅（CN）呈石墨相结构。XPS显示Bi³⁺、V⁵⁺及氧空位存在，C 1s和N 1s谱图表明CN成功包覆。UV-DRS显示BC1:3的带隙为2.13 eV，可见光吸收增强。PL和EIS表明核壳结构有效抑制电子-空穴复合，降低电荷转移电阻。TEM直观呈现BVO核心与CN壳层的紧密界面，元素分布均匀。

光催化性能评估

在CIP降解实验中，BC1:3在120分钟内降解率达90.2%，速率常数（0.0155 min^–1）为BVO和CN的1.7倍和1.38倍。中性pH（7.0）和0.04 g催化剂用量为最优条件，活性物种捕获实验表明·O₂^–、·OH和h⁺是主要活性物种。Cr(VI)还原实验中，BC1:3的速率常数（0.016 min^–1）为BVO的2.66倍，酸性环境（pH=5）更利于还原。H₂O₂生成实验显示，BC1:3产量达1824.44 μM L^–1，是通过两电子氧还原路径实现。催化剂在四次循环后仍保持高稳定性，结构和形貌未发生明显变化。

机理探讨

BC1:3的优异性能源于其Z型异质结机制：可见光激发后，BVO导带（CB）电子与CN价带（VB）空穴复合，保留CN导带电子的强还原性（用于Cr(VI)还原和H₂O₂生成）和BVO价带空穴的强氧化性（用于CIP降解）。氧空位作为电子陷阱，进一步促进电荷分离。核壳结构提供大比表面积和丰富反应位点，强化污染物吸附与光催化效率。

结论

OV-BiVO₄@g-C₃N₅核壳Z型异质结通过能带调控和界面工程，实现了可见光下高效的多功能光催化应用，在难降解有机物去除、重金属还原及绿色化学品合成中展现出广阔前景。