论文题目：White LED driven {010}-faceted BiVO₄ mediated electron transfer enables efficient peroxymonosulfate activation for norfloxacin degradation

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100363

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01 文章摘要

光催化活化过一硫酸盐（PMS）是处理水体中新污染物的重要途径之一，但仍受限于光生电荷的分离与传输问题。本文提出了基于钒酸铋{010}晶面的富光生电子特性，在{010}晶面暴露占优的BiVO₄表面通过等离子体处理，引入Bi纳米颗粒和氧空位双活性位点，实现了高效活化PMS降解诺氟沙星。在白光LED照射下，该体系在80 min内可实现诺氟沙星95%的去除率。实验与理论研究表明，金属Bi颗粒的表面等离子体效应可增强光吸收并产生热电子；氧空位可增强PMS在催化剂上的吸附，双位点的构筑强化了{010}晶面上的光生电子活化PMS性能。本研究为发展设计表面改性光催化材料用于水污染处理提供了新的思路与理论支撑。

02 研究背景

太阳能驱动的光催化/PMS活化耦合体系由于反应条件温和、环境友好以及多功能协同等优势，成为水体新污染物降解的重要途径之一。在该体系中，关键在于开发设计具有可见光响应和快速电荷分离性能的光催化剂，以产生更多的光生电子用于活化PMS。BiVO₄因化学稳定性高、毒性小、成本低，且具有适宜的禁带宽度（约2.4 eV）等特点，是一种广泛应用的可见光响应光催化剂。研究表明，通过晶面工程，光生电子和空穴可分别向BiVO₄的{010}和{110}晶面进行定向迁移。因此，利用光生电荷的空间分离效应，制备{010}晶面暴露占优的BiVO₄，使得更多的光生电子传输并富集到{010}晶面，从而强化PMS活化降解抗生素污染物性能。此外，在还原条件下BiVO₄表面易原位析出Bi纳米颗粒，Bi的表面等离子体共振效应可以强化光生载流子的分离能力。此外，在还原过程中往往会在表面引入氧空位缺陷，促进BiVO₄光生电荷分离的同时改善PMS在BiVO₄上的吸附性能。因此，本研究提出通过Ar等离子处理{010}晶面暴露占优的BiVO₄，在BiVO₄表面同时引入Bi纳米颗粒和氧空位。研究表明，该策略可增强光催化剂的光吸收和强化载流子分离，以产生更多的光生电子用于活化PMS；并增强了PMS的吸附性能，从而实现高效活化PMS产生活性物种，用于降解诺氟沙星。该策略为实现高效活化PMS的光催化剂构建提供了新的设计思路与理论指导。

03 创新点

1.采用等离子刻蚀的方法，在{010}晶面暴露占优的BiVO₄表面同时引入了氧空位与Bi纳米颗粒双位点。

2.在LED白光照射下，该光催化/PMS活化体系可在80分钟内实现95%的诺氟沙星去除率。

3.双位点的协同作用在增强PMS吸附的同时加速了光生电子向PMS的迁移，实现了PMS的高效活化。

04 文章概述

1. 晶面工程调控BiVO₄活化PMS性能

采用湿法化学法成功制备了三种{110}和{010}晶面暴露不同比例的BiVO₄光催化剂，根据晶面暴露差异分别命名为BiVO₄-110、BiVO₄-010/110和BiVO₄-010。结合SEM分析，BiVO₄-110具有截断八面体形状，{110}晶面占比较多；BiVO₄-010/110具有截面双锥体结构，{010}和{110}均有一定比例暴露；BiVO₄-010为厚度约为0.2 μm的片状结构，{010}晶面暴露占优。通过BiVO₄-010样品的TEM分析，证实了暴露面为{010}晶面。XRD也证实了BiVO₄单斜相的成功制备。在三种晶面暴露不同的样品中，BiVO4-010/PMS体系显示出最高的NOR降解效率。而三种样品的光吸收性能未观察到有明显差异，因此，性能提升可归因于光生电子定向迁移并富集在{010}晶面上，从而增强了PMS的活化性能，实现了诺氟沙星的高效降解。

图1 （a）BiVO₄-110、（b）BiVO₄-010/110和（c）BiVO₄-010的SEM图；BiVO₄-010的（d）TEM图和（e）SAED图；（f）BiVO₄多面体的晶面暴露示意图；（g）BiVO₄-010的EDS mapping图；三种样品的（h）XRD图谱和（i）PMS活化降解NOR性能曲线。

2. 等离子处理BiVO₄构筑双位点

以{010}晶面暴露占优的BiVO₄为研究对象，进行等离子处理（命名为BiVO₄-010-P）。与BiVO₄-010的光滑表面相比，等离子体处理后的BiVO₄表面上均匀分散着尺寸为17.8 ± 2.3 nm的小颗粒。结合TEM、XRD、Raman和XPS等表征，证明了表面分布的小颗粒为金属Bi纳米颗粒。此外，Raman、XPS和EPR光谱也证实了BiVO₄-010-P中氧空位的存在。由于氧空位和Bi颗粒的表面等离子共振效应，BiVO₄-010-P相较于BiVO₄-010在可见光区域的光吸收明显增强。

图2 BiVO₄-010-P的（a）SEM图、（b）TEM图、（c）HRTEM图和（d）EDS mappings图；BiVO₄-010与BiVO₄-010-P的（e）XRD、（f）拉曼光谱和（g）DRS光谱。

3. 光催化活化PMS降解诺氟沙星性能和机制

通过对等离子体处理功率和时间等制备条件进行优化，选定处理时间为10 min以及功率为300 W，在白光LED照射下，BiVO₄-010-P/PMS体系在80 min内可去除约95%的诺氟沙星。并探究了光照、光催化剂和PMS三者的协同作用，证实了光生电子活化PMS以产生活性物种降解诺氟沙星。此外，探究了催化剂、诺氟沙星和PMS的投加量、溶液pH、无机阴离子、阳离子、不同有机污染物和不同水体对Vis/BiVO₄-010-P/PMS体系降解污染物性能的影响，证明了该体系具有应用普适性。在实际太阳光照射条件下，Vis/BiVO₄-010-P/PMS体系仍可实现诺氟沙星的高效去除。离子浸出和稳定性实验表明BiVO₄-010-P光催化剂在该体系中也具有较好的耐久性。

图3 BiVO₄-010-P/PMS体系中不同催化反应条件下的NOR降解效率：（a）催化条件（条件：1 mM PMS、0.5 g/L催化剂、20 mg/L NOR）；（b）催化剂投加量（条件：1 mM PMS、20 mg/L NOR）；（c）NOR投加量（条件：1 mM PMS、0.5 g/L催化剂）；（d）PMS投加量（条件：0.5 g/L催化剂、20 mg/L NOR）；（e）溶液pH；（f）无机阴离子（10 mM）；（g）阳离子（10 mM）；（h）不同污染物；（i）不同水体。（条件e~i：1 mM PMS、0.5 g/L催化剂、20 mg/L NOR）

活性物种猝灭和EPR实验表明，e-、SO₄•–、•O₂−、h+、¹O₂和•OH是Vis/BiVO₄-010-P/PMS体系的主要活性物种。光电流、交流阻抗和开路电压等电化学实验证明了双位点的引入强化了光生载流子的分离能力，且电子向PMS进行迁移，从而提高了诺氟沙星的降解效率。

图4 BiVO₄-010-P/Vis/PMS体系活性物种（a、b）淬灭实验和（c）EPR实验。（d）光电流、（e）交流阻抗和（f）开路电位曲线。

理论计算结果表明，在BiVO₄-010中引入氧空位可以增强PMS在催化剂表面的吸附性能以及光催化剂与PMS间的电子转移。根据金属Bi和BiVO₄-010间的功函数差异，光照下电子从金属Bi转移至BiVO₄-010-P，从而抑制了光生电子-空穴的复合。光生电子进一步与吸附在催化剂表面的PMS进行反应，生成SO₄•–、•O₂−、h+、¹O₂和•OH等活性物种，用于降解诺氟沙星。

图5 （a、b）理论计算模型；（c、d）PMS吸附在BiVO4-010和BiVO₄-010-VO表面的差分电荷；（e）金属Bi和BiVO₄-010-VO的功函数；（f）Vis/BiVO₄-010-P/PMS体系中诺氟沙星降解示意图。

05 启示

本研究通过在{010}晶面暴露占优的BiVO₄表面通过等离子体处理，引入Bi纳米颗粒和氧空位双活性位点，通过强化光吸收、PMS吸附以及电子分离与传输，实现了高效活化PMS降解诺氟沙星。该策略为用于高效活化PMS的光催化剂的表界面结构调控提供了新思路。

引用信息：Ke Liu, Xue Guo, Yan Liu, Xiaoxia Wang, Jiayi Wang, Xiaohan Wang, Lijie Zhang, Yukun Zhu, Dongjiang Yang, White LED driven {010}-faceted BiVO₄ mediated electron transfer enables efficient peroxymonosulfate activation for norfloxacin degradation, Adv. Powder Mater. 5(2026) 100363. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100363

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000995