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深圳大学姚蕾:Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3纳米管压电催化与光催化耦合高效降解亚甲基蓝

学术动态    2022-07-20 15:30

DOI: 10.1007/s40145-022-0590-6

 

有机污染物的光催化降解对于废水修复具有重要意义,但仍受到催化剂催化效率较差的阻碍。在此,研究者报告了一种在单一催化剂中同时引入压电催化以及增强本征光催化的策略,其显著提高了亚甲蓝(MB)的催化降解性能。具体而言,本研究采用静电纺丝法制备了掺杂不同Gd和La含量的压电BiFeO3(BFO)纳米管(Bi0.9(GdxLa1-x0.1FeO3)。掺杂导致Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3中表面氧空位(OV)的浓度较高,有效增加了由BFO变形引起的压电场,抑制了光子产生的电子-空穴对的复合。Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3纳米管在同时光照射和超声激发下表现出优异的催化性能,90分钟内的MB降解率达到95%。上述研究表明,压电效应结合缺陷工程能够提高Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3纳米管的催化性能,且该策略可扩展至其他高性能污染物催化系统。

 

图1.Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3纳米管的形貌:(a-c)FESEM图像,(d)TEM图像,(e)HRTEM图像和SAED图谱(插图),以及(f)管状纳米结构的形成机理示意图。

 

图2.BFO和Bi0.9(GdxLa1-x0.1FeO3(x=0、0.3、0.5、0.7和1.0)的晶体结构和化学结构:(a)Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3的XRD图谱,(b)31°-33°范围内的放大XRD图谱,(c)拉曼光谱,(d)O1s XPS光谱。(e)所有样品的O1s XPS光谱,以及(f)相对峰强度比(RIR)与Gd含量之间的关系。

 

图3.BFO中引入的OVs对能带结构和光学性质的影响:(a)200-800nm波长范围内的UV-Vis吸收光谱,(b)Eg与Gd掺杂比之间的关系,(c)PL光谱和放大光谱(插图),(d)光开/关周期为100s时的瞬态光电流响应,以及(e)BFO和共掺杂BFO纳米管中OVs的电荷俘获模式示意图。

 

图4.晶体结构和可能的电荷转移机制示意图:(a)仅在光照射下的BFO纳米管以及(b)在光和超声刺激下的(Gd,La)共掺杂BFO纳米管。

 

图5.BFO和Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3纳米管的PFM表征:(a,e)相位对比图;(b,f)相-电压磁滞回线;(c,g)幅度图;和(d,h)幅度-电压蝶形回线。

 

图6.不同刺激下MB的催化降解性能:(a-c)三种不同刺激下,使用不同暴露时间的Bi0.9Gd0.07La0.03FeO3纳米管进行降解试验后MB溶液的吸收光谱。(d-f)三种不同刺激下MB溶液的C/C0比与暴露时间的函数关系。(g)不同Gd掺杂比的纳米管在不同刺激下的降解效率,以及(h)MB在不同刺激下循环10次的降解情况。