万俊副教授，樊君教授&刘琳博士，CEJ观点：P掺杂单层Bi2WO6协同氧空位促进光催化水脱毒和固氮性能- 大数跨境

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万俊副教授，樊君教授&刘琳博士，CEJ观点：P掺杂单层Bi2WO6协同氧空位促进光催化水脱毒和固氮性能

科学材料站

2021-01-27

导读：该观点文章通过简单的水热法制备了富含氧空位的P掺杂Bi2WO6单层纳米片。

文章信息

P掺杂单层Bi2WO6协同氧空位促进光催化水脱毒和固氮性能

第一作者：刘琳，刘佳庆

通讯作者：万俊*，樊君*

单位：延安大学，西北大学

研究背景

绿色光催化技术利用可持续太阳能驱动化学反应，可实现环境污染物温和降解及太阳能-化学能储能过程，因而受到广泛研究。目前，光催化效率受限的主要原因仍在于催化剂体相光生载流子的分离和迁移效率低。

二维单层纳米材料可有效缩短载流子的电子迁移距离，同时利用表面修饰手段增强体相电荷迁移内驱动力可有效促进光生电荷分离和光催化性能增强。P掺杂被认为是改善光催化转化效率的有效手段之一，但目前P掺杂体系多限于TiO2和g-C3N4，且合成条件较为苛刻，有必要探索简易条件下新型P掺杂可见光催化体系的开发。

此外，掺杂过程通常会伴随有缺陷的形成，探究掺杂态（doping states）和缺陷形成机制，并利用理论计算和实验表征揭示P掺杂对于光催化材料能带结构和电荷转移机制的调控机理，对比研究P掺杂和含P异质结的催化增强机理差异，对丰富光催化的基础研究和应用具有重要的意义。

文章简介

近日，来自延安大学的万俊副教授与西北大学的樊君教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Novel phosphorus-doped Bi2WO6 monolayer with oxygen vacancies for superior photocatalytic water detoxication and nitrogen fixation performance”的文章。

该观点文章通过简单的水热法制备了富含氧空位的P掺杂Bi2WO6单层纳米片。研究结果表明，P掺杂可在单层Bi2WO6结构中引入极化内电场，同时氧空位将在Bi2WO6能带结构中形成中间缺陷态能级。

对比BiPO4/Bi2WO6和RP/Bi2WO6异质结复合体系，该掺杂体系可更有效地促进单层Bi2WO6的光利用率和光生电子-空穴分离效率，从而表现出更为优异的光催化水体污染物降解和光催化固氮性能。

图1. P掺杂单层Bi2WO6协同氧空位促进光催化水脱毒和固氮机理示意图。

本文要点

要点一：P掺杂态与氧空位形成

如图2所示，采用单质红磷为磷源，所制备的Bi2WO6（BWO）和P掺杂Bi2WO6（PBWO）均表现为单层纳米片结构。进一步通过XRD、XPS、FTIR和ESR分析可得，P原子通过取代掺杂形式进入Bi2WO6晶体结构中的[BiO]+层并形成Bi-O-P化学键，同时伴随P掺杂过程引入了丰富的表面氧空位。

此外，为对比P掺杂和含P异质结改性，通过反应过程调控制备了BiPO4/Bi2WO6（BPO/BWO）和RP/Bi2WO6（RP/BWO）异质结复合体系。

图2. BWO和PBWO的TEM、HRTEM、AFM和EDS mapping图。

要点二：光催化水脱毒和固氮性能增强

在光催化同时脱除水体中重金属离子Cr(VI)和抗生素分子盐酸四环素（TCH）、以及光催化固氮应用中，合适浓度的P掺杂和含P异质结改性均可提高Bi2WO6的光催化活性，但PBWO活性最佳，其中PBWO的固氮活性分别是BWO, BPO/BWO-20和RP/BWO-30的4.87倍、2.61倍和1.96倍（图3）。

此外，PBWO还表现出良好的光催化降解染料和酚类物质活性，并具有优异的活性稳定性和结构稳定性。

图3. 样品的光催化固氮性能图。

要点三：实验表征和理论计算揭示能带结构和电荷分离性能优化

通过光谱学和电化学表征以及理论计算表明，P掺杂协同氧空位可减小Bi2WO6禁带宽度，提高其吸光范围和吸光强度，同时在其能带结构中引入了中间缺陷态能级。

此外，相比于RP/BWO和BPO/BWO的界面电荷转移限制，P掺杂可在单层Bi2WO6结构中引入极化内电场，为体相光生电荷分离和迁移提供内驱动力，有效促进光生载流子分离利用效率，从而表现出更为优异的光催化活性。

图4. BWO和PBWO的态密度计算图和结构示意图。

图5. BWO和PBWO的3D和2D-[001]、[010]、[100]方向的电荷密度分布。

要点四：反应机理和总结

利用捕获实验发现e-、h+和•OH是反应的主要活性物种，进一步结合能带结构理论分别揭示了RP/BWO、BPO/BWO和PBWO的光生载流子迁移机制和光催化反应机理。

本篇工作针对新型P掺杂光催化体系的材料设计和机理研究，系统分析了P掺杂态及对催化剂化学组成、能带结构、电荷分离和光催化活性的作用机制，为掺杂及缺陷型光催化剂的设计与优化提供了思路。

文章链接

Novel phosphorus-doped Bi2WO6 monolayer with oxygen vacancies for superior photocatalytic water detoxication and nitrogen fixation performance

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128629

通讯作者介绍

万俊副教授，延安大学副教授，硕士生导师，陕西省青年科技新星。

2018年博士毕业于西北大学樊君教授课题组，现为延安大学煤基能源与环境催化技术团队成员。主要从事光催化材料的设计合成及其在能源转化和环境治理中的应用，包括光催化燃油脱硫、光解水制氢、光催化有机合成、污染物降解等方面。在Chem. Eng. J.、J. Catal.、J. Hazard. Mater.、Appl. Catal. B Environ.等国际权威学术期刊发表论文20余篇（SCI他引1000余次），其中5篇入选ESI高被引论文。主持国家自然科学基金项目、陕西省科技厅项目等多项项目，申请国家发明专利3项。

樊君教授，西北大学二级教授，博导

2000年在日本横滨国立大学获得博士学位。主要从事新颖纳米材料的制备及其在食品药品及环境快速检测方面的应用、碳一化工、二氧化碳还原与资源化利用、光催化技术在能源及环境保护中的应用等研究工作。先后主持完成国家自然科学基金、教育部博士点基金、陕西省科技攻关项目、省教育厅重大产业化项目与重点科研项目等40余项科研项目。主持横向科研项目6项，其中中试并工业化项目3项，省级鉴定成果3项，结论均为国际先进水平，有3项科研项目实现了工业化生产。申请国家发明专利24件，在国内外期刊上发表学术论文130余篇。

课题组介绍

延安大学煤基能源与环境催化技术团队依托陕西省“四主体一联合”新型研发平台：延能-延大综合能源产业技术研究院和陕西省化学反应工程重点实验室，现有研究人员27人，其中教授11人，具有博士学位20人。长期以来，团队立足区域资源优势，通过校企协同创新，形成了低阶煤分级分质高效洁净利用、高性能煤基炭材料的制备及应用、新型纳米材料的构筑及光电催化等研究方向。近年来，团队的研究成果先后发表在Applied Catalysis B: Environmental, Small, Journal of Catalysis, Chemical Engineering Journal, Catalysis Science & Technology等国内外权威学术期刊。团队主持开发的“低阶粘结性中煤热解资源化利用技术开发与工业化示范”科技成果成功转化，依托该技术的500万吨/年低阶煤多联产循环综合利用产业项目已开工建设。团队秉持“协同、开放、创新”的团队文化，诚挚欢迎国内外优秀团队和研究人员与课题组协同合作。