《Surface Science Reports》：Lactic acid detection based on Pd-coated vesicles and lipid nanotubes
编辑推荐：
光催化降解中，Bi?S?-FeWO?纳米复合材料的制备工艺（湿混/研磨/超声）显著影响带隙（1.55 eV最优）和电荷分离效率，Z型异质结机制使MB降解率达95.2%，验证了超声辅助法制备的高效可见光催化剂在废水处理中的潜力。
Heba M. El Sharkawy | Abdelghaffar S. Dhmees | Enas Amdeha
摘要
人口快速增长和工业部门的扩张导致了前所未有的环境污染，尤其是由纺织品染色引起的废水污染，这迫切需要有效的处理技术；其中，光催化是最有效的解决方案之一。此外，选择一种简单且有前景的制备策略至关重要。本研究探讨了使用湿法混合、研磨和超声波处理等多种技术制备5% Bi?S?修饰的FeWO?纳米棒时，这些方法对其性能和光催化效率的影响。通过XRD、FTIR、XPS、FE-SEM&EDX和UV-PL等表征方法评估了所制备光催化剂的结构和光学特性。在测试的复合材料中，BFW-m（湿法混合）、BFW-g（研磨）和BFW-s（超声波处理）组的带隙显著降低至1.55 eV，电荷复合现象得到抑制，使得在180分钟后60 ppm浓度下的MB降解率提升至95.2%。自由基清除实验表明，羟基自由基（•OH）和光生空穴（h?）是主要反应物种，这与Z型电荷转移机制一致，从而增强了光催化剂的氧化还原能力。结果表明，Bi?S?对FeWO?的协同作用显著提高了其光催化活性。本工作展示了Bi?S?@FeWO?复合材料作为高效废水处理光催化剂的潜力，有助于实现减少工业污染的可持续发展目标。
引言
现代工业正在快速发展，这种污染导致了气候和自然灾害的显著变化。生态平衡受到严重威胁，而纺织业对碳排放和有害废水排放的贡献也损害了水资源[1,2]。因此，当今研究人员面临着有效处理印染废水的问题[3]。有许多废水处理技术，吸附法是去除有机污染物（尤其是废水中的染料）的主要方法之一，因为它简单且成本低廉[4,5]。然而，吸附法并不能完全去除和降解有机污染物，只是将它们从液相转移到固相，因此需要后续去除表面附有污染物的吸附剂。另一方面，高级氧化工艺（如芬顿反应和光芬顿反应）虽然能有效降解污染物，但存在污泥产生、最佳pH范围狭窄以及铁浸出等问题，限制了其大规模应用[6,7]。此外，其他高级氧化工艺（如电化学氧化、芬顿/光芬顿反应和过硫酸盐基系统）通常需要额外的化学氧化剂、严格的pH控制或高能耗[8,9]。相比之下，半导体光催化技术提供了一种更清洁且可重复使用的替代方案[10],[11],[12],[13],[14]。因此，光催化技术不仅适用于环境修复，还适用于氢气生产（H?O?合成）、氨生成、选择性有机合成以及在太阳光照射下灭活微生物等应用。与传统处理方法不同，光催化能够在温和的操作条件下将有机污染物完全矿化为CO?和H?O，且不会产生二次废物，从而实现废水污染物的彻底降解。因此，光催化降解工艺被认为是一种有前景的技术[15],[16],[17]。许多半导体材料被用作光催化剂，例如TiO?、NiO和ZnO。可见光光催化氧化技术是一种将光能转化为化学能的环保且可持续的方法，它利用了丰富的太阳能[18],[19],[20],[21]。在光催化水分解领域，这项技术已经得到了深入研究和改进[22,23]。除了环保和无污染外，这项新技术还具有快速分解物质的能力，非常适合满足当代社会发展的需求，因为它所需的反应条件非常简单。它在创造新的可再生能源和环境治理方面展现出巨大潜力。
FeWO?是一种p型半导体材料，价格低廉、无毒，带隙窄（Eg = 1.98 eV），适合用作可见光驱动的光催化剂。然而，其对有机污染物的光催化效率较低，远不足以满足工业应用的需求，因为FeWO?产生的电子（e?）和空穴（h?）会迅速复合[24]。另一方面，基于铋（Bi）的半导体材料具有优异的稳定性、低成本、低载流子浓度和低毒性，使其成为光催化应用的理想选择。此外，硫化铋（Bi?S?）的窄带隙（1.3–1.7 eV）和高光吸收能力使其在铋基催化剂中脱颖而出，具有潜在的可见光光催化潜力。但由于载流子复合速度较快，其应用受到限制[25]。因此，许多研究致力于通过构建异质结来延长光生电子-空穴对的使用寿命，从而改善电荷分离和可见光激活效果，从而提高光催化效率[26,27]。因此，在FeWO?和Bi?S?之间构建异质结可以促进界面电荷分离，并通过Z型机制增强氧化还原能力[28]。本研究重点使用调控后的后组装技术设计界面接触，与以往主要关注活性提升的Bi?S?基异质结不同。通过结合Bi?S?和FeWO?，分析了电荷转移通道，并通过系统比较研磨、湿法混合和超声波处理对界面结构和光催化性能的影响。
本文采用多种方法（包括超声波处理、研磨和湿法混合）制备了5% Bi?S?@FeWO?光催化剂，研究了制备方法对这些催化剂在卤素灯下降解MB染料（模型污染物）的光催化行为的影响。对所制备光催化剂的光催化性能的创新监测表明，简单的制备策略可以调节带隙、减少电荷复合，并通过Z型机制实现强光吸收能力。对制备的催化剂进行了表征，并考察了不同参数（如催化剂剂量和初始MB染料浓度）对降解过程的影响。此外，还阐明了不同的清除剂对降解机制的影响。结果表明，这种Bi?S?@FeWO?异质结在无外加氧化剂的情况下能够在可见光照射下高效降解染料，展示了通过直接Z型电荷转移机制实现的可持续和节能的替代方案。
部分内容摘要
FeWO?的合成
采用水热法制备FeWO?纳米结构。首先，用30毫升去离子水（DI）溶解0.005 M Na?WO?·2H?O（作为溶液A），另用30毫升去离子水溶解0.005 M FeSO?·7H?O（作为溶液B），在室温下搅拌约30分钟。然后将溶液A缓慢加入溶液B中并持续搅拌。随后将混合液转移到特氟龙涂层的不锈钢容器中。
表征
图1显示了纯FeWO?及采用不同方法（超声波处理、湿法混合和研磨）修饰的5% Bi?S?/FeWO?样品的XRD图谱。合成样品的XRD图谱显示FeWO?峰强度受到的影响较小，而由于物理混合过程中颗粒间的强烈相互作用，出现了一些低强度峰。
结论
合成策略与最终光催化性能之间的关联至关重要。通过湿法混合（BFW-m）、研磨（BFW-g）和超声波处理（BFW-s）等不同方法修饰FeWO?纳米棒，改善了其结构和光学性质，增强了电荷分离和可见光利用能力。其中，BFW-s组表现出更优异的性能。
CRediT作者贡献声明
Heba M. El Sharkawy：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法论设计、数据分析、概念构建。Abdelghaffar S. Dhmees：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据分析。Enas Amdeha：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据分析、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
