大连工业大学马红超教授课题组：基于Z-scheme的Bi2MoO6@Co3O4核-壳异质结构用于光电催化水净化- 大数跨境

首页

大连工业大学马红超教授课题组：基于Z-scheme的Bi2MoO6@Co3O4核-壳异质结构用于光电催化水净化

科学材料站

2021-08-18

导读：该研究文章报导了一种简单的水热法构筑Z-scheme异质结的方法，得到的Bi2MoO6@Co3O4异质核壳结构显著促进了载流子分离

文章信息

大连工业大学马红超教授课题组Chemical Engineering Journal: 基于Z-scheme的高性能Bi2MoO6@Co3O4核-壳异质结构用于光电催化水净化

第一作者：李慧君，见林翰

通讯作者：马红超*，刘性辉*，吕佳慧*

单位：大连工业大学，成均馆大学

研究背景

光电催化高级氧化技术处理有机污染物的效率取决于光阳极半导体的特性。选择合适的半导体催化材料、对其进行微观结构及能带结构调谐，以提高载流子氧化还原能力及分离效率是推进光电催化氧化技术应用于实际水净化的一个重大挑战。

Co3O4因其具有良好的导电性、高比表面积、宽光学响应范围及优异的化学稳定性，而引起了广泛的关注。Co3O4基复合纳米材料的催化效率仍需进一步提高以满足其光电催化水纯化的实际应用。目前已采用的可行策略包括：微观形貌控制、元素掺杂、构造缺陷和异质结等。

而构建异质结构催化剂是提高Co3O4光电催化性能可行的有效途径。Bi2MoO6优异的可见光吸收性和独特的层状结构使其作为一种新型的可见光催化剂而广受关注与研究。而其光生载流子复合速率快使光催化活性受限问题可通过构建Bi2MoO6纳米异质结构来克服。

基于此，利用Co3O4纳米线作为“核”和超薄Bi2MoO6纳米片作为“壳”，构建了基于Z-scheme的Bi2MoO6@Co3O4异质核壳结构；通过两种组分综合优势有效利用，使其在光电催化水净化方面表现出优异的性能和应用潜力。

文章简介

本文中，来自大连工业大学的马红超教授与成均馆大学的刘性辉博士合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Fabricating Bi2MoO6@Co3O4 Core-shell Heterogeneous Architectures with Z‑scheme for Superior Photoelectrocatalytic Water Purification”的文章。

该研究文章报导了一种简单的水热法构筑Z-scheme异质结的方法，得到的Bi2MoO6@Co3O4异质核壳结构显著促进了载流子分离，表现出电化学活性表面积大、电荷转移电阻低以及载流子迁移分离效率高等特点，并结合自由基捕获实验以及光致发光光谱等实验进一步分析光电催化降解机制。

图1 Bi2MoO6@Co3O4分层异质核壳结构的合成过程示意图。

本文要点

要点一：Bi2MoO6@Co3O4异质核壳结构可控组装

透射电镜结果表明，Bi2MoO6纳米片逐渐增加并堆积，在水热8小时条件下形成Bi2MoO6@Co3O4多级异质核壳结构，且Bi2MoO6纳米片相互堆叠所形成的三维结构可促进电解质渗透并允许快速的离子和电子传输，这将有助于提高Bi2MoO6@Co3O4异质核壳结构的光电催化降解性能。

图2 (a) 3 h Bi2MoO6@Co3O4-2.0， (b) 5 h Bi2MoO6@Co3O4-2.0， (c) 8 h Bi2MoO6@Co3O4-2.0， (d) 图2c的高分辨率TEM图像。(e)扫描透射电子显微镜(STEM)图像和相应元素(Co、O、Bi、Mo)的EDS mapping图，证实了Bi2MoO6@Co3O4-2.0的分层异质核壳结构。

要点二：基于Z-scheme的光电催化作用机制

在光激发下，Bi2MoO6的价带(VB)中的电子转移到其导带(CB)中，而Bi2MoO6的CB中的诱导电子在转移到Co3O4的VB后，可迅速转移到其CB中并由外部电路引走，同时在Co3O4的VB中产生诱导空穴。

为深入探究降解机制，基于探针-分子荧光实验和自由基捕获实验结果证明了•OH和•O2-在降解过程中的主导作用，并结合稳态光致发光光谱分析了载流子分离机制。

此外，通过循环伏安实验、塔菲尔斜率、阻抗实验以及光电流相应实验，相比于Bi2MoO6和Co3O4电极，Bi2MoO6Bi2MoO6@Co3O4光阳极表现出电活性表面积大、活性位点多、电荷转移电阻低、以及载流子迁移效率高等特点。

图3 提出的Ti/Bi2MoO6@Co3O4电极在PEC氧化过程中的机理。

要点三：Bi2MoO6@Co3O4光阳极优异的光电催化性能

所制备的Bi2MoO6@Co3O4光阳极在降解活性艳蓝KN-R方面表现出比Bi2MoO6或Co3O4更好的光电催化性能。Bi2MoO6@Co3O4光阳极的光电催化降解性能远大于其光催化和电催化的降解性能，表明其具有电催化和光催化两者的协同作用。

Bi2MoO6@Co3O4多级结构表现出优异的光电催化活性（降解率 ~ 88.43 %），在电流密度为500 mA·cm-2、1.0 mol·L-1 H2SO4 溶液中表现出优良好的稳定性（~ 110 分钟）。本工作的合理设计为光电催化工艺中构建具有Z-scheme能带结构的高效核壳异质结构电极提供了一种新策略。

图4 (a) Bi2MoO6@Co3O4-2.0在不同反应条件（PC、EC、PE+EC和PEC之和）下对活性艳蓝KN-R的去除率。(b) Bi2MoO6@Co3O4-2.0 循环五次循环实验。(c) Co3O4、Bi2MoO6、Bi2MoO6@Co3O4-2.0在1.0 mol·L-1 H2SO4溶液中，500 mA·cm-2电流密度下的加速寿命试验。(d) 在PEC条件下Bi2MoO6@Co3O4-2.0降解染色废水的自由基捕获实验。

要点四：Bi2MoO6@Co3O4表面缺电子特性

为进一步了解Bi2MoO6@Co3O4具有高光电催化效率和长期稳定性的机理，利用密度泛函理论对Bi2MoO6@Co3O4异质结的电荷密度差进行了研究，表明Bi2MoO6的缺电子表面增强了活性物质与催化表面之间的相互作用，提高了活性物质的寿命并进一步改善了光电催化效率，与•OH生成分析结论和加速降解实验一致。

图5 Bi2MoO6@Co3O4的电荷密度差。请注意，黄色和青色区域代表电子积累和消耗。等值面值为0.0046 e/bohr3。

文章链接

Fabricating Bi2MoO6@Co3O4 Core-shell Heterogeneous Architectures with Z‑scheme for Superior Photoelectrocatalytic Water Purification.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131716

通讯作者介绍

马红超教授.

2003年博士毕业于吉林大学物理化学专业催化研究所，期间完成国家自然科学基金项目“异丁烷脱氢制取异丁烯的钒催化剂”研究。随后于中科院长春应用化学研究所从事博士后科研工作，致力于燃料电池和水电解相关科研工作。主要致力于有机污染物的电化学处理、吸附有机污染物高性能多孔材料开发及利用光催化技术处理水中有毒有害污染物等相关研究。主持和参与国家及省级项目多项，并于2011与2014年分别入选辽宁省高等学校优秀人才支持计划第二与第一层次。学术研究得到国内外同行的认可，在Energy Environ. Sci.、Appl. Catal., B、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Phys. Chem. C、Chem. Eng. J.、Sol. Energy Mater. Sol. Cells等学术刊物上发表多篇学术论文。

刘性辉博士.

成均馆大学，主要利用“材料设计-材料表征-理论计算”三位一体的研究手段，对下一代清洁能源存储和转换的关键催化和电池技术，设计新材料、揭示新原理、开发新方法。在Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Science、Chem. Mater.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、Phys. Chem. Chem. Phys.、J. Phys. Chem. C、Chem. Eng. J. 等学术刊物上发表多篇学术论文。