赵子旺, 丛树睿, 王春宇, 周术元, 彭猛, 王磊, 许嘉钰

高等学校化学学报 2024, 45 (9): 20240187-. DOI:10.7503/cjcu20240187

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随着地球大气中臭氧（O₃）浓度的逐年升高, 臭氧已成为大气污染治理的一个重要污染物. 羟基自由基光催化反应对臭氧消除性能偏低, 仅提高羟基自由基产量的改性方法已不适用于臭氧光催化消除. 本文以Bi₂WO₆为基础, 先后进行了Fe掺杂以及TiO₂负载, 制备了一系列Fe-Bi₂WO₆@TiO₂复合材料, 并对复合材料进行了物性表征及臭氧催化活性测试. 结果表明, Fe-Bi₂WO₆@TiO₂材料具有典型的包覆结构, 表现出可见光响应并激发了氯自由基的生成. 氯自由基作为消除O₃的活性物种，驱动了一种类似“臭氧层空洞效应”的光化学反应机制, 即表面氯化的TiO₂受光激发产生氯自由基, 引发链式反应, 大幅提升了臭氧分解的性能. Fe-Bi₂WO₆@TiO₂对O₃的消除率最大为93%. 氯自由基的引入以及复合材料可见光响应的拓展, 可大幅提升光催化臭氧消除能力.

复合材料的UV-Vis DRS谱图如图5所示. TiO₂的光吸收带边约为400 nm， FBWO约为460 nm，对应禁带宽度（E_g）分别为3.1和2.7 eV，后者对可见光波段具有响应，是复合材料中光吸收的主体部分. FBWO与TiO₂复合后， FBWO@T5的光吸收性能相对TiO₂大幅提升，吸收带边红移至450 nm以上，接近FBWO的460 nm. TiO₂对可见光没有响应能力，复合材料的可见光波段吸收全部来自于FBWO. 尽管FBWO作为材料内核，有TiO₂壳层包覆，但复合材料依旧能够表现出较高的可见光吸收能力，表明TiO₂消光能力较差，在一定厚度条件下，可以保证可见光的透过. TiO₂的引入为FBWO的空穴迁移和表面氯与臭氧反应提供了吸附位点，但另一方面会影响内部FBWO在可见光下的载流子激发，因此TiO₂含量是FBWO@TX结构设计的关键点. 表面氯化后的复合材料FBWO@T5C对光的吸收性能与FBWO@T5无明显差别，表明复合材料的氯化不会明显影响材料对光的吸收性能.