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.

以FBWO为核心制备了不同TiO₂含量的FBWO@TXC，研究了TiO₂含量对可见光催化活性的影响，结果如图7所示. 由于TiO₂在400 nm附近会有少量激发，因此TC可以表现出一定的光催化能力，臭氧转化率约为15%. 相同条件下，异质结中的FBWO使材料具备更好的可见光响应，使表面氯化在可见光条件下的效果得到提升，光催化活性顺序为FBWO@T5C>FBWO@T10C>FBWO@T15C. 当TiO₂含量为5%时，臭氧转化率达到最高（93%）； TiO₂含量为10%时，转化率降至74%；当含量继续提升至15%，臭氧转化率降至63%. TiO₂壳层可以吸收紫外光实现电子跃迁，而本研究中FBWO@TX以可见光为激发光源，核心FBWO是光激发主体部分， TiO₂不吸收可见光而仅作为载流子迁移受体以及氯基团的载体，因此壳层含量直接影响内部的可见光吸收，对FBWO@TX活性的影响较大，过多的TiO₂会阻碍可见光吸收，减弱FBWO光激发. 结合UV-Vis DRS分析结果可知， TiO₂含量从5%增加至15%后，可见光吸收出现显著下降，这也就导致了臭氧转化率持续降低.