第一作者：刘胜
通讯作者：魏政荣 教授，李庆 副教授
通讯单位：湖北大学
通讯作者：袁占辉 教授，廖光福 教授
通讯单位：福建农林大学
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168949
基于S型异质结的压电光催化产过氧化氢技术，为太阳能到化学能的转化提供了一种可持续且环境友好的方法。然而，传统S型异质结中有限的相间接触面积，严重阻碍了高效的界面电荷传输。为此，本研究通过形貌工程构建了一种片层堆叠型Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3（BTO@PDA/AIO）压电光催化剂，其具有双向S型异质结界面，可最大限度缩短载流子传输路径。飞秒瞬态光谱测试表明，界面电子传输仅需1.7皮秒（ps），远短于1800 ps的荧光寿命，这确保了电子-空穴对在复合前完成界面迁移，满足高效载流子分离的动力学先决条件。最优复合催化剂BTO@PDA/AIO-3在空气条件下的压电光催化产过氧化氢速率达到86.34 mM・g-1 h-1；对新型污染物（ECs）尼扎替丁（NZTD）的协同降解速率常数为12.72 × 10-2 min-1，实现了经济合成与水体修复的双重效益。密度泛函理论计算与原位红外光谱分析显示，PDA壳层的光热效应可促进过氧化氢生成过程中活性中间体的形成，同时其作为高度离域的电子传递枢纽，进一步增强了载流子分离效率。本研究为解决压电光催化体系中界面电子传输受限的问题，以及推动经济高效的废水资源化利用开辟了新途径。
随着全球非可再生资源的过度开发，能源危机与环境污染已成为人类社会发展的双重挑战。光催化技术凭借高效节能、环境友好的特性，在过氧化氢（H2O2）绿色合成及新兴污染物（ECs）降解领域展现出显著潜力。传统光催化氧还原反应（ORR）生成H2O2时，通常需额外添加乙醇、异丙醇等质子供体，这不仅增加生产成本，还会因光生空穴（h+）被质子供体过度消耗，导致活性氧物种（ROS）生成量减少，进而降低光催化系统的能量转换效率。而使用有机污染物作为牺牲剂消耗光生h+，无疑是一种经济而又高效的选择。在降解这些污染物的同时，还能促进ORR反应进行，协同生成H2O2。这种双功能光催化系统中生成的过氧化氢可用于造纸、消毒和环境修复等领域。但是，光催化技术仍然存在载流子迁移率低和电子-空穴对（e-/h+）快速复合的问题。所以，将光催化场耦合以构建用于产生过氧化氢协同降解污染物的双功能系统仍然是一个挑战。
(1) 基于界面调控设计了新型S型Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3压电光催化剂。
(2) 压电光催化协同降解尼扎替丁并耦合生成H2O2。
(3) 双向S型异质结实现超快界面电荷载流子分离。
(4) 氧还原耦合水氧化反应机制促进无质子牺牲剂的H2O2生成。
通过简单的模板沉积法，成功制备了Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3异质结压电光催化剂。SEM和TEM的结果表明，所得到的AgIO3均匀分布在Bi4Ti3O12@PDA纳米片表面，并且这些微区内的元素分布均匀。
图1 (a) 复合催化剂制备流程图; (b-d) 和 (f-h) AgIO3、Bi4Ti3O12和Bi4Ti3O12@PDA、Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3的SEM图像; (e) 和 (j) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-2的TEM和SAED图像; (i) XRD图; (k) XPS图和(l)水接触角图。
图2 (a, b) 稳态与归一化定时分辨光致发光光谱; (c) AgIO3/PDA界面处模拟电荷分布及对应的平面平均电荷密度差显示，蓝色区域代表电子耗尽区，黄色区域为电子富集区; (d, e)紫外-可见差分扫描量热光谱及其对应的Tauc曲线; (f, g) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3的振幅环、相位滞后环及高度图像; (h, i) Bi4Ti3O12与AgIO3的功函数; (j, k, l) Bi4Ti3O12、AgIO3及AgI的紫外光致发光光谱; (m)双向S型异质结形成示意图。
图3 (a, c) Bi4Ti3O12与 (b, d) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3在320 nm激发下的伪彩色光谱及吸收光谱; (e, f) 为Bi4Ti3O12和Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3在610 nm处的归一化衰减动力学图。
图4 (a) 降解废水处理过程中过氧化氢生成的示意图; (b) 使用不同光催化剂在光照下生成过氧化氢; (c) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3生成过氧化氢的伪彩色图; (d) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3的表观量子效率; 在不同条件下的过氧化氢生成性能：(e) 催化剂浓度; (f) 溶液pH; (g) 超声功率; (h) 超声波、空气和自由基消除对BTO@PDA/AIO-3光催化过程的影响; (i) 过氧化氢的生成速率和降解速率; (j) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3的原位红外光谱; (k) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3的红外热成像。
图5 (a) NZTD分子结构; (b, c）NZTD的福井函数; (d) NZTD的HOMO-LUMO分子轨道; (e) Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3在压电光催化过程中降解NZTD的路径。
最优复合催化剂Bi4Ti3O12@PDA/AgIO3-3在空气条件下的压电光催化产过氧化氢速率达到86.34 mM・g-1 h-1；对新型污染物（ECs）尼扎替丁（NZTD）的协同降解速率常数为12.72 × 10-2 min-1，实现了经济合成与水体修复的双重效益。此外，密度泛函理论计算与原位傅里叶变换红外光谱实验证实，聚多巴胺壳层不仅能拓宽光吸收范围，还可作为热点升高反应温度以促进活性中间体生成，并通过醌式结构转化加速界面电子传输。本研究为合理设计高性能原位S型异质结材料以实现协同清洁能源生产与水污染治理，以及探索压电催化增强光催化机制奠定了基础。
Sheng Liu, Yanjun Zhang, Jun Du, Yuan Xue, Cheng Huang, Zunshun Xu, Peng Wang, Zhengrong Wei*,Zhanhui Yuan*, Guangfu Liao*, Qing Li*,Facilitating carrier kinetics in dual S-Scheme heterojunctions through interface regulating strategy for H2O2generation and nizatidine degradation, Chemical Engineering Journal 523 (2025) 168949
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168949
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