可见光驱动的CuV?O?/BiPO?/GO三元异质结用于高效降解有机水污染物

《Environmental Research》：Visible-light-driven CuV 2O 6/BiPO 4/GO ternary heterojunctions for efficient degradation of organic water pollutants

CuV?O?/BiPO?/GO三元异质结光催化剂通过水热法合成，显著提升可见光催化降解有机污染物效率。在pH=7条件下，30分钟内实现95.7%亚甲基蓝降解，较纯BiPO?提升7.1倍；42分钟莫西沙星去除率达92.2%，较BiPO?提高18.1倍。电荷分离机制由XPS、UV-Vis DRS和自由基捕获实验证实，O??为主要活性物种。异质结结构拓宽可见光吸收（带隙1.95-4.10 eV），GO导电网络抑制载流子复合，协同提升光催化性能。

　　

作者：杨帆|裴亮|于晓娇|贾铎|段佩高|柯林斯·奇梅齐·埃伦杜|王凯|雷赫曼江·伍富尔|王家伟

中国科学院新疆生态与地理研究所新疆环境污染与生物修复重点实验室，中国新疆乌鲁木齐830011

摘要

本研究通过水热合成方法制备了一种新型的CuV₂O₆/BiPO₄/GO三元光催化剂，用于解决有机水污染问题。该复合材料形成了n-n异质结，增强了可见光吸收（带隙：1.95–4.10 eV）和电荷分离能力。系统表征（XRD、SEM、XPS和UV–Vis DRS）证实，锚定在BiPO₄上的CuV₂O₆纳米颗粒与GO共同促进了电荷传输。在中性pH条件下，优化后的复合材料在30分钟内实现了95.7%的亚甲蓝（MB）降解率，在42分钟内实现了92.2%的莫西沙星（MOX）去除率，分别比纯BiPO₄提高了7.1倍和18.1倍。自由基捕获实验表明，超氧阴离子（O₂^-）是主要的活性物种。其协同机制包括：（1）CuV₂O₆扩展了光吸收范围；（2）异质结驱动的电荷分离；（3）GO的导电网络增强了电子转移。光电化学测试（PL和EIS）验证了复合材料的复合效应以及降低的电荷转移阻力。这项工作为水净化提供了一种高性能的、太阳能驱动的解决方案，并为三元异质结设计提供了新的见解。

引言

持久性有机污染物（尤其是合成染料和药物抗生素）对水资源的污染日益严重，这是现代社会面临的最严峻的环境挑战之一（Feng等人，2025；Taruna等人，2025；Sun等人，2021）。传统的废水处理方法往往无法完全矿化这些污染物，因此迫切需要能够在可持续条件下有效去除这些污染物的先进处理技术（Wang等人，2019）。

多年来，半导体光催化技术作为一种有前景的水净化解决方案脱颖而出，它利用太阳能来驱动有机污染物的降解（Ahmad等人，2024；Liu等人，2022；Yue等人，2019）。然而，光催化水处理的广泛应用面临一些根本性挑战，限制了其实际应用。大多数传统光催化剂存在两个关键缺陷：光吸收能力有限，无法有效利用可见光；光生载流子快速复合，大大降低了量子效率（Du等人，2024；Jin等人，2025；Liu等人，2025；Wang等人，2025）。这些挑战促使人们广泛研究新型光催化材料和复合体系，以克服这些限制。最近的光催化剂设计进展主要集中在异质结工程上，以提高电荷分离效率（Chen等人，2022；Liu等人，2022；Yang等人，2022；Yu等人，2020）。已经探索了多种结构，包括p-n结、同质结以及n-n型异质结，每种结构都有其独特的优势和挑战（Barik等人，2022；He等人，2022；Lan等人，2022；Li等人，2019；Lu等人，2022；Sowndharya等人，2025）。

由于其优异的电学特性和可见光吸收能力，钒铜酸盐（CuV₂O₆）也成为一种潜在有用的光催化材料。CuV₂O₆的带隙约为2 eV，是一种n型半导体，在可见光谱范围内表现出出色的光敏感性（Li等人，2019）。其独特的晶体结构和化学稳定性使其适用于多种催化应用，尽管其在光催化水处理方面的潜力尚未得到充分探索。Feng等人（Feng等人，2022）使用简单的溶胶-凝胶技术制备了不同晶相的钒铜酸盐（Cu₅V₂O₁₀、CuV₂O₆和Cu₂V₂O₇），并将其用作光催化剂选择性氧化环己烷为环己醇和环己酮。根据光催化活性评估，Cu₅V₂O₁₀表现出最高的活性，其次是CuV₂O₆和Cu₂V₂O₇，这表明三种催化剂在环己烷的光催化氧化过程中活性有所不同。自由基清除实验阐明了光催化氧化的机制，证实·OH和空穴在此过程中起着关键作用。研究人员认为，这主要是由于CuV₅V₂O₁₀适当的能带结构、更强的光吸收能力、更快的电子传输能力以及更低的电化学阻抗。然而，当Lin等人（Lin等人，2015）使用合成的Cu₅V₂O₁₀纳米棒降解龙胆紫时，仅在10 mg/L浓度下经过4小时可见光照射后才能完全降解龙胆紫溶液。与现有的光催化降解方法相比，CuV₅V₂O₁₀的降解效果明显较弱。

磷酸铋（BiPO₄）是光催化研究中的另一种重要材料，以其化学稳定性和强氧化能力而闻名（Liu等人，2022；Ma等人，2014；Shi等人，2017；Sun等人，2020；Vanga等人，2025；Yang等人，2022）。然而，其宽的带隙限制了其在紫外光下的作用，而紫外光仅占太阳辐射的一小部分（Ma，2018；Tan，2019）。将这两种材料结合在异质结结构中可以克服各自的局限性，并协同增强它们的光催化性能。

氧化石墨烯（GO）作为先进材料设计中的变革性成分，具有优异的导电性和较大的比表面积（Aragaw等人，2020；Ishigami等人，2007；Ogbeide等人，2022）。在光催化系统中，GO作为高效的电子媒介，显著增强了电荷分离和传输，并为表面反应提供了额外的活性位点。将GO掺入半导体复合材料中，通过改善载流子动力学显著提高了光催化活性（Li等人，2024；Samuel等人，2024；Zhang等人，2020）。

因此，本研究重点关注CuV₂O₆/BiPO₄/氧化石墨烯三元复合光催化剂的合理设计和合成，旨在将这些材料的互补性能结合到一个高性能系统中。CuV₂O₆和BiPO₄之间的n-n异质结设计用于将光吸收扩展到可见光区域，同时保持高效的电荷分离。氧化石墨烯组分进一步增强了电荷传输并提供了额外的反应位点。水热合成方法确保了各组分之间的紧密接触，得到了稳定且可重复的光催化剂结构。对该三元复合体系的系统研究为先进光催化材料的设计原理提供了宝贵见解，并探索了可持续水净化应用的新可能性。

材料

材料相关信息见补充信息。

BiPO₄的制备

总共1.70克Bi(NO₃)₃·5H₂O溶解在13.0毫升硝酸溶液（0.69 mol/L）中，并在室温下磁力搅拌以制备溶液A。另外0.75克(NH₄)₃PO₄·3H₂O溶解在21.0毫升去离子水中，制备溶液B和A，然后持续混合一小时形成白色悬浮液。将白色悬浮液转移到50.0毫升不锈钢反应器中。

XRD

通过XRD分析了CV、CVP-2和CVPO-2的相结构和组成，结果如图S2所示。CV的主要衍射峰位于2θ = 26.15°、26.77°、31.11°和31.27°，对应于CuV₂O₆（JCPDS#73-0189）（Rani等人，2020；Ye等人，2017）。根据结果，这些峰的晶面分别为（201）、（110）、（111）和（$$02）。除了标准峰外，曲线中没有其他杂质峰，表明

结论

通过水热方法成功合成了CuV₂O₆/BiPO₄/GO三元复合光催化剂。对样品的结构进行了表征。复合材料显示GO、CuV₂O₆和BiPO₄之间有强烈的界面接触，表明形成了有效的异质结。光电化学测量显示，由于CuV₂O₆的窄带隙，该复合材料具有更宽的光吸收范围，从而表现出增强的光电性能。

CRediT作者贡献声明

王家伟：方法学、形式分析、概念化。雷赫曼江·伍富尔：形式分析、数据管理。于晓娇：撰写——初稿、验证、形式分析。裴亮：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。杨帆：撰写——初稿、可视化、验证、资源获取、方法学、数据管理、概念化。王凯：撰写——审阅与编辑。柯林斯·奇梅齐·埃伦杜：撰写——审阅与编辑、研究。段佩高：资源获取

未引用参考文献

Aragaw, 2020; Li等人，2019; Liu等人，2022; Liu等人，2023; Lu等人，2022; Ma等人，2018; Tan等人，2019; Yang等人，2022; Yu等人，2020.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢新疆维吾尔自治区重点研发计划（编号：2022B02041）、新疆科技计划（2024TSYCCX0057）以及新疆维吾尔自治区自然科学基金（编号：2023D01B03）的财政支持。