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.

研究异质结构的光激发和电荷迁移对于理解可见光催化行为的增强机制十分必要. 荧光光谱已经证实了FBWO具有较好的可见光激发性能，可以产生大量光生载流子，然而内部复合导致其难以迁移至材料表面，催化活性较低. 利用光电流和交流阻抗测试进一步讨论FBWO， TiO₂和FBWO@TXC在可见光条件下的载流子激发性能和内部阻抗引起的电荷迁移性能. 如图11所示， FBWO和FBWO@T5C在可见光条件下可以产生光生电子，因此可以检测到明显的光电流信号. 二者信号强度相当，表明FBWO和FBWO@T5C的光电子主要来自于FBWO的光激发，而复合材料中TiO₂壳层的主要功能在于提供载流子迁移路径，对于可见光激发的贡献较少. 另一方面，纯TiO₂在可见光下的光电流强度较弱，证明其在可见光波段的光响应较差，与UV-Vis DRS结果相符.