AgI/Bi2Ga4O9 p-n结光催化剂的构建及其增强超氧自由基生成机制

光催化是一种具有良好应用前景的水处理技术，它可以在常温常压条件下高效快速地降解水体中的有机污染物。目前，如何提高光催化量子产率及催化活性仍是光催化领域面临的重要挑战之一。基于半导体物理理论，当费米能级不同的p型和n型半导体接触时，载流子会自发地在半导体间流动，直至达到热力学平衡。在二者所形成的p-n结界面处会产生内电场，它被广泛地证实有利于光生载流子的分离，进而提高光催化活性。

针对上述问题，周口师范学院的研究团队报道了一种新型AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n结光催化剂，其合成过程如图1所示。HRTEM观察到AgI与Bi₂Ga₄O₉的界面处存在异质结；电负性理论计算表明AgI与Bi₂Ga₄O₉之间能级匹配，可以形成异质结；肖特基和霍尔效应测试证实AgI和Bi₂Ga₄O₉分别为p型和n型半导体。XPS分析表明与纯AgI和Bi₂Ga₄O₉相比，AgI/Bi₂Ga₄O₉复合物中Ag 3d、I 3d、Bi 4f和O 1s轨道的结合能均发生了明显变化，表明AgI与Bi₂Ga₄O₉之间存在较强的作用力，这有利于电子的转移。光电化学测试则进一步证明AgI与Bi₂Ga₄O₉所形成的p-n结有利于光生载流子的高效分离。

图1. 静电自组装合成AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n结光催化剂的过程示意图

光催化降解酸性红1污染物的一级动力学拟合结果表明光催化性能相对最佳的25%-AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n结的降解速率是纯AgI和Bi₂Ga₄O₉的6.3和42.3倍；光催化降解甲硝唑污染物的一级动力学拟合结果表明25%-AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n结的降解速率是纯AgI和Bi₂Ga₄O₉的3.0和44.3倍。ESR测试和自由基捕获实验表明AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n结在降解有机污染物时以超氧自由基（•O₂^-）为主要活性物种，且25%-AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n结的•O₂^-浓度为纯AgI和Bi₂Ga₄O₉的3.3和12.5倍（图2）。此外，功函数、电荷差异分布和电子局域函数理论计算表明AgI半导体产生的电子可以有效地转移到Bi₂Ga₄O₉半导体上（图3），从而提高了光生载流子的分离效率和•O₂^-的产量，最终大幅度地提高了AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n结的光催化活性。

图2. （a）自由基捕获实验，（b-c）ESR光谱和（d）•O₂^-浓度与光照时间的关系图

图3. AgI和Bi₂Ga₄O₉的功函数（a-b），AgI/Bi₂Ga₄O₉的电荷差异分布（c）和电子局域函数（d）

该研究成果发表于Journal of Materials Chemistry A上，周口师范学院青年教师刘进博士为第一作者，靳林教授与郑州大学李俊博士和新加坡南洋理工大学刘彬教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（21806194，21503285）等项目的资助。

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Electrostatic self-assembly of a AgI/Bi₂Ga₄O₉ p-n junction photocatalyst for boosting superoxide radical generation

Jin Liu, Xingcai Zhang, Qian Zhong, Jun Li, Hongzhang Wu, Bo Zhang, Lin Jin, Hua Bing Tao, Bin Liu

J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/c9ta13724f