A 0D/2D Bi4V2O11/g-C3N4 S-Scheme Heterojunction with Rapid Interfacial Charges Migration for Photocatalytic Antibiotic Degradation

Liang Zhou Yunfeng Li Yongkang Zhang Liewei Qiu Yan Xing

Citation:  Liang Zhou, Yunfeng Li, Yongkang Zhang, Liewei Qiu, Yan Xing. A 0D/2D Bi4V2O11/g-C3N4 S-Scheme Heterojunction with Rapid Interfacial Charges Migration for Photocatalytic Antibiotic Degradation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(7): 2112027-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112027 shu

具有高效界面电荷转移的0D/2D Bi4V2O11/g-C3N4梯形异质结的设计合成及抗生素降解性能研究

    通讯作者: 李云锋, liyf377@nenu.edu.cn
    秋列维, 20190607@xpu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22008185

    国家自然科学基金 21872023

    陕西省自然科学基础研究项目 2021JQ-669

    西安工程大学大学生创新创业训练计划项目 202110709042

    西安工程大学研究生创新基金 chx2021020

摘要: 随着工业技术的飞速发展,大量有机污染物被应用于生活的各个领域,由此带来了严重的环境问题。众所周知,半导体光催化技术是一种有效且环境友好的降解去除典型污染物的方法,而光催化剂在该技术的应用中起着关键作用。因此,在光催化污染物降解领域,人们已经尝试研究了各种半导体材料。其中石墨相氮化碳(g-C3N4)是近年来公认的“明星”材料之一。因其独特的二维层状结构和良好的可见光响应而引起了人们的极大兴趣。由于带隙较窄(~2.7 eV)、能带结构可调以及良好的物理化学稳定性,g-C3N4对太阳光谱的吸收可达450 nm,具有一定的可见光光催化性能。然而,g-C3N4在去除抗生素和染料方面的降解效率仍然存在不足,例如光生电荷的快速复合以及空穴的氧化能力弱等。为了优化这种有前景的光催化材料,人们尝试了多种方法来改善g-C3N4的电子能带结构,例如金属/非金属元素掺杂、形貌调控和官能团修饰等。最近,人们提出了由两种N型半导体光催化剂组成的梯形异质结理念,它可以利用半导体材料更正的价带和更负的导带。相关结果表明,构筑梯形异质结是提高g-C3N4光催化活性的最有效方法之一。因此,本文通过简单的原位溶剂热生长法制备了新型0D/2D Bi4V2O11/g-C3N4梯形异质结光催化剂。Bi4V2O11/g-C3N4复合材料对去除土霉素(OTC)和活性红染料展示出了优异的光催化活性。尤其是BVCN-50复合材料对OTC和活性红的降解效率高达74.1%和84.2%,该过程的主要活性物种为·O2-。大幅增强的光催化性能归因于Bi4V2O11和g-C3N4之间形成的梯形异质结保持了光催化体系的强氧化还原能力(Bi4V2O11的强氧化能力和g-C3N4的强还原能力),并促进了光生电荷的空间分离。此外,金属Bi0的表面等离子共振效应可以拓宽异质结系统的光吸收范围。此外,基于高效液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析,我们研究了OTC降解过程中可能的中间体和降解路径。这项工作为设计和制备g-C3N4基梯形异质结用于抗生素和活性染料降解提供了一种新的策略。

English

    1. [1]

      Bie, C.; Yu, H.; Cheng, B.; Ho, W.; Fan, J.; Yu, J. Adv. Mater. 2021, 33, 2003521. doi: 10.1002/adma.202003521

    2. [2]

      Yang, Y.; Tan, H.; Cheng, B.; Fan, J.; Yu, J.; Ho, W. Small Methods 2021, 5, 2001042. doi: 10.1002/smtd.202001042

    3. [3]

      Li, Y.; Zhou, M.; Cheng, B.; Shao, Y. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 1. doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.028

    4. [4]

      Li, Y.; Gu, M.; Zhang, X.; Fan, J.; Lv, K.; Carabineiro, S.; Dong, F. J. Mater. Today 2020, 41, 270. doi: 10.1016/j.mattod.2020.09.004

    5. [5]

      Cheng, L.; Yue, X.; Wang, L.; Zhang, D.; Zhang, P.; Fan, J.; Xiang, Q. Adv. Mater. 2021, 33, 2105135. doi: 10.1002/adma.202105135

    6. [6]

      Li, Y.; Wang, H.; Zhang, X.; Wang, S.; Jin, S.; Xu, X.; Liu, W.; Zhao, Z.; Xie, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2. doi: 10.1002/anie.202101090

    7. [7]

      Kuang, P.; Low, J.; Cheng, B.; Yu, J.; Fan, J. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 18. doi: 10.1016/j.jmst.2020.02.037

    8. [8]

      Jing, L.; Xu, Y.; Zhou, M.; Deng, J.; Wei, W.; Xie, M.; Song, Y.; Xu, H.; Li, H. J. Hazard. Mater. 2020, 396, 122659. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122659

    9. [9]

      Cheng, L.; Zhang, H.; Li, X.; Fan, J.; Xiang, Q. Small 2021, 17, 2005231. doi: 10.1002/smll.202005231

    10. [10]

      Li, Y.; Ouyang, S.; Xu, H.; Hou, W.; Zhao, M.; Chen, H.; Ye, J. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901024. doi: 10.1002/adfm.201901024

    11. [11]

      Jiang, Z.; Zhang, X.; Chen, H.; Yang, P.; Jiang, S. Small 2020, 16, 2003910. doi: 10.1002/smll.202003910

    12. [12]

      Yi, J.; El-Alami, W.; Song, Y.; Li, H.; Ajayan, P.; Xu, H. Chem. Eng. J. 2020, 382, 122812. doi: 10.1016/j.cej.2019.122812

    13. [13]

      Chen, X.; Wang, J.; Chai, Y.; Zhang, Z.; Zhu, Y. Adv. Mater. 2021, 33, 2007479. doi: 10.1002/adma.202007479

    14. [14]

      Chen, X.; Shi, R.; Chen, Q.; Zhang, Z.; Jiang, W.; Zhu, Y.; Zhang, T. Nano Energy 2019, 59, 644. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.03.010

    15. [15]

      Cheng, C.; He, B.; Fan, J.; Cheng, B.; Cao, S.; Yu, J. Adv. Mater. 2021, 33, 2100317. doi: 10.1002/adma.202100317

    16. [16]

      Mo, Z.; Di, J.; Yan, P.; Lv, C.; Zhu, X.; Liu, D.; Song, Y.; Liu, C.; Yu, Q.; Li, H.; et al. Small 2020, 16, 2003914. doi: 10.1002/smll.202003914

    17. [17]

      李云锋, 张敏, 周亮, 杨思佳, 武占省, 马玉花. 物理化学学报, 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030Li, Y.; Zhang, M.; Zhou, L.; Yang, S.; Wu, Z.; Ma, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030

    18. [18]

      Wang, J.; Lin, S.; Tian, N.; Ma, T.; Zhang, Y.; Huang, H. Adv. Funct. Mater. 2020, 31, 2008008. doi: 10.1002/adfm.202008008

    19. [19]

      Chen, P.; Lei, B.; Dong, X.; Wang, H.; Sheng, J.; Cui, W.; Li, J.; Sun, Y.; Wang, Z.; Dong, F. ACS Nano 2020, 14, 15841. doi: 10.1021/acsnano.0c07083

    20. [20]

      Li, Z.; Huang, W.; Liu, J.; Lv, K.; Li, Q. ACS Catal. 2021, 11, 8510. doi: 10.1021/acscatal.1c02018

    21. [21]

      陈一文, 李铃铃, 徐全龙, Düren, T., 范佳杰, 马德琨. 物理化学学报, 2021, 37, 2009080. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009080Chen, Y.; Li, L.; Xu, Q.; Düren, T.; Fan, J.; Ma, D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009080. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009080

    22. [22]

      Wu, B.; Zhang, L.; Jiang, B.; Li, Q.; Tian, C.; Xie, Y.; Li, W.; Fu, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 4815. doi: 10.1002/anie.202013753

    23. [23]

      Li, Y.; Wang, S.; Chang, W.; Zhang, L.; Wu, Z.; Jin, R.; Xing, Y. Appl. Catal. B 2020, 274, 119116. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119116

    24. [24]

      Zhou, L.; Lei, J.; Wang, F.; Wang, L.; Hoffmann, M.; Liu, Y.; In, S.; Zhang, J. Appl. Catal. B 2021, 288, 119993. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.119993

    25. [25]

      Deng, H.; Fei, X.; Yang, Y.; Fan, J.; Yu, J., Cheng, B.; Zhang, L. Chem. Eng. J. 2021, 409, 127377. doi: 10.1016/j.cej.2020.127377

    26. [26]

      Liang, Z.; Shen, R.; Ng, Y.; Zhang, P.; Xiang, Q.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 89. doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.032

    27. [27]

      Wageh, S.; Al-Ghamdi, A.; Jafer, R.; Li, X.; Zhang, P. Chin. J. Catal. 2021, 42, 667. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63705-6

    28. [28]

      Xu, F.; Meng, K.; Cao, S.; Jiang, C.; Chen, T.; Xu, J.; Yu, J. ACS Catal. 2022, 12, 164. doi: 10.1021/acscatal.1c04903

    29. [29]

      Peng, J.; Shen, J.; Yu, X.; Tang, H.; Zulfiqar; Liu, Q. Chin. J. Catal. 2021, 42, 87. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63595-1

    30. [30]

      梅子慧, 王国宏, 严素定, 王娟. 物理化学学报, 2021, 37, 2009097. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009097Mei, Z.; Wang, G.; Yan, S.; Wang, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009097. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009097

    31. [31]

      Liang, X.; Zhao, J.; Wang, T.; Zhang, Z.; Qu, M.; Wang, C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 33034. doi: 10.1021/acsami.1c07757

    32. [32]

      Chen, X.; Wang, J.; Chai, Y.; Zhang, Z.; Zhu, Y. Adv. Mater. 2021, 33, 2007479. doi: 10.1002/adma.202007479

    33. [33]

      刘东, 陈圣韬, 李仁杰, 彭天右. 物理化学学报, 2021, 37, 2010017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010017Liu, D.; Chen, S.; Li, R.; Peng, T. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010017

    34. [34]

      Xu, Q.; Zhang, L.; Cheng, B.; Fan, J.; Yu, J. Chem 2020, 6, 1543. doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.010

    35. [35]

      Zhou, L.; Li, Y.; Yang, S.; Zhang, M.; Wu, Z.; Jin, R.; Xing, Y. Chem. Eng. J. 2021, 420, 130361. doi: 10.1016/j.cej.2021.130361

    36. [36]

      Xia, P.; Cao, S.; Zhu, B.; Liu, M.; Shi, M.; Yu, J.; Zhang, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 5218. doi: 10.1002/anie.201916012

    37. [37]

      Xie, Q.; He, W.; Liu, S.; Li, C.; Zhang, J.; Wong, P. Chin. J. Catal. 2020, 41, 140. doi: S1872-2067(19)63481-9

    38. [38]

      Li, Q.; Zhao, W.; Zhai, Z.; Ren, K.; Wang, T.; Guan, H.; Shi, H. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 216. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.038

    39. [39]

      Wang, L.; Cheng, B.; Zhang, L.; Yu, J. Small 2021, 17, 2103447. doi: 10.1002/smll.202103447

    40. [40]

      刘阳, 郝旭强, 胡海强, 靳治良. 物理化学学报, 2021, 37, 2008030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008030Liu, Y.; Hao, X.; Hu, H.; Jin, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008030

    41. [41]

      李喜宝, 刘积有, 黄军同, 何朝政, 冯志军, 陈智, 万里鹰, 邓芳. 物理化学学报, 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030Li, X.; Liu, J.; Huang, J.; He, C.; Feng, Z.; Chen, Z.; Wan, L.; Deng, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030

    42. [42]

      Liu, L.; Hu, T.; Dai, K.; Zhang, J., Liang, C. Chin. J. Catal. 2021, 42, 46. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63560-4

    43. [43]

      赫荣安, 陈容, 罗金花, 张世英, 许第发. 物理化学学报, 2021, 37, 2011022. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011022He, R.; Chen, R.; Luo, J.; Zhang, S.; Xu, D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2011022. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011022

    44. [44]

      Wang, K.; Li, Y.; Zhang, G.; Li, J.; Wu, X. Appl. Catal. B 2019, 240, 39. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.08.063

    45. [45]

      Lv, C.; Chen, G.; Sun, J.; Zhou, Y.; Fan, S.; Zhang, C. Appl. Catal. B 2015, 179, 54. doi: 10.1016/j.apcatb.2015.05.022

    46. [46]

      Lv, T.; Li, D.; Hong, Y.; Luo, B.; Xu, D.; Chen, M.; Shi, W. Dalton Trans. 2017, 46, 12675. doi: 10.1039/c7dt02151h

    47. [47]

      Wen, X.; Lu, Q.; Lv, X.; Sun, J.; Guo, J.; Fei, Z.; Niu, C. J. Hazard. Mater. 2020, 385, 121508. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121508

    48. [48]

      Lv, C.; Chen, G.; Zhou, X.; Zhang, C.; Wang, Z.; Zhao, B.; Li, D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 23748. doi: 10.1021/acsami.7b05302

    49. [49]

      Zhu, B.; Tan, H.; Fan, J.; Cheng, B.; Yu, J.; Ho, W. J. Materiomics 2021, 7, 988. doi: 10.1016/j.jmat.2021.02.015

    50. [50]

      费新刚, 谭海燕, 程蓓, 朱必成, 张留洋. 物理化学学报, 2021, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027Fei, X.; Tan, H.; Cheng, B.; Zhu, B.; Zhang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027

    51. [51]

      Rosa, F.; Papac, J.; Garcia-Ballesteros, S.; Kovačić, M.; Katančić, Z.; Kušić, H.; Božić, A. Adv. Sustain. Syst. 2021, 5, 2100119. doi: 10.1002/adsu.202100119

    52. [52]

      Zhou, X.; Shao, C.; Li, X.; Wang, X.; Guo, X.; Liu, Y. J. Hazard. Mater. 2018, 344, 113. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.10.006

    53. [53]

      Zhang, M.; Li, Y.; Chang, W.; Zhu, W.; Zhang, L.; Jin, R.; Xing, Y. Chin. J. Catal. 2022, 43, 526. doi: 10.1016/S1872-2067(21)63872-X

    54. [54]

      Liu, B.; Bie, C.; Zhang, Y.; Wang, L.; Li, Y.; Yu, J. Langmuir 2021, 37, 14114. doi: 10.1021/acs.langmuir.1c02360

    55. [55]

      Wang, W.; Zhao, W.; Zhang, H.; Dou, X.; Shi, H. Chin. J. Catal. 2021, 42, 97. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63602-6

    56. [56]

      Guaraldo, T.; Wenk, J.; Mattia, D. Adv. Sustain. Syst. 2021, 5, 2000208. doi: 10.1002/adsu.202000208

    57. [57]

      姜志民, 陈晴, 郑巧清, 沈荣晨, 张鹏, 李鑫. 物理化学学报, 2021, 37, 2010059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010059Jiang, Z.; Chen, Q.; Zheng, Q.; Shen, R.; Zhang, P.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010059

    58. [58]

      Wang, J.; Wang, G.; Cheng, B.; Yu, J.; Fan, J. Chin. J. Catal. 2021, 42, 56. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63634-8

    59. [59]

      Ren, Y.; Li, Y.; Wu, X.; Wang, J.; Zhang, G. Chin. J. Catal. 2021, 42, 69. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63631-2

    60. [60]

      Sayed, M.; Zhu, B.; Kuang, P.; Liu, X.; Cheng, B.; Ghamdi, A.; Wageh, S.; Zhang, L.; Yu, J. Adv. Sustain. Syst. 2021, doi: 10.1002/adsu.202100264

    61. [61]

      Shen, R.; Ren, D.; Ding, Y.; Guan, Y.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Li, X. Sci. China Mater. 2020, 63, 2153. doi: 10.1007/s40843-020-1456-x

    62. [62]

      Qin, D.; Xia, Y.; Li, Q.; Yang, C.; Qin, Y.; Lv, K. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 206. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.034

    63. [63]

      Li, Q.; Xia, Y.; Yang, C.; Lv, K.; Lei, M.; Li, M. Chem. Eng. J. 2018, 349, 287. doi: 10.1016/j.cej.2018.05.094

    64. [64]

      Zhang, L.; Zhang, J.; Yu, H.; Yu, J. Adv. Mater. 2022, 34, 2107668. doi: 10.1002/adma.202107668

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  138
  • HTML全文浏览量:  19
文章相关
  • 发布日期:  2022-07-15
  • 收稿日期:  2021-12-20
  • 接受日期:  2022-01-17
  • 修回日期:  2022-01-09
  • 网络出版日期:  2022-01-20
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章