Stort dipolmoment induceret bredspektret bismuthchromat for effektiv fotokatalytisk ydeevne

Konvertering og udnyttelse af solenergi til kemisk brændstofproduktion og miljøsanering gennem kunstig fotokatalyse er blevet anerkendt som en ideel vej til at løse de kritiske energi- og miljøproblemer. Den fulde udnyttelse af sollys er en stor udfordring for at opnå tilstrækkelig effektivitet i praktiske applikationer, og indsnævring af en fotokatalysators båndgab svækker drivkraften til redoxreaktioner, især vandoxidation og nedbrydning af forurenende stoffer, fordi disse reaktioner involverer en kompliceret multi-elektronproces. Derfor, udviklingen af ​​et bredt spektrum, lydhøre og yderst effektive fotokatalysatorer til vandoxidation og nedbrydning af forurenende stoffer er et kritisk problem, der skal behandles i øjeblikket.

Bi-baserede oxometallatmaterialer, såsom BiVO ₄ ¬, Bi2WO ₆ , Bi ₂ MoO ₆ , etc., er blevet bredt undersøgt som aktive fotokatalysatorer i synligt lys og udviser fremragende fotokatalytisk ydeevne i vandoxidation og nedbrydning af forurenende stoffer, som hovedsageligt drager fordel af deres tilstrækkeligt dybe valensbåndsposition. I dette arbejde, et bredspektret lydhørt Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ nanorod fotokatalysator blev konstrueret med succes. På grund af hybridiseringen af ​​Cr 3d med O 2p orbitaler forskyder ledningsbåndet minimum ned, Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ tillader dets absorption op til hele det synlige område (~ 678 nm) med en teoretisk solspektrumeffektivitet på 42,0%. Og dens VB på 1,95 eV (vs. NHE pH =7) er mere positiv end OH-/O-oxidationspotentialet ₂ , hvilket indikerer, at de fotogenererede huller i Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ nanorod fotokatalysator besidder ekstremt stærk oxidationsevne.

Som vist i figur 1a, Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ udviste overordentlig bedre fotokatalytisk vandoxidationsydelse, og dens gennemsnitlige O2-udviklingshastighed nåede 14,94 μmol h-1, omkring 11,5 og 4,0 gange højere end for Bi2WO6 nanosheets og kommercielt WO ₃ nanopartikler. Udover, det opnåede følgelig en betydelig tilsyneladende kvanteeffektivitet (AQE) 2,87% ved 420 nm, endda 0,65% ved 650 nm (figur 1b), højere end mange rapporterede bredspektrumdrevne fotokatalysatorer. Mest mærkbart, dens fremragende aktivitet manifesterer sig også i fotokatalytisk nedbrydning af phenol. Dens nedbrydningsreaktionskonstant kan nå 0,119 min-1, omkring 22,5 og 8,8 gange højere end CdS nanotråde og PDI supramolekylære fotokatalysatorer, henholdsvis (figur 1c). Selv dets nedbrydningsaktivitet er ikke ringere end P25 TiO2 under simuleret sollys, omkring 2,9 gange højere end sidstnævnte.

Bemærkelsesværdigt, Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ præsenterede også ekstremt stærk mineraliseringsevne, hvilket næsten muliggør samtidig nedbrydning og fuldstændig mineralisering for phenol. De samlede organiske kulstoffjernelseshastigheder af phenol i forhold til Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ under synligt lys og simuleret sollys er 94,8% (nedbrydningshastighed:95,5%) og 97,3% (nedbrydningshastighed:98,1%) på 0,5 timer, henholdsvis, mens CdS, PDI og P25 er betydeligt lavere end deres tilsvarende nedbrydningshastigheder. Selv under 650 nm bestråling af rødt lys, Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ er stadig i stand til samtidigt at nedbryde og fuldstændigt mineralisere phenol (figur 1d), og få bredspektrumdrevne fotokatalysatorer kan opnå det.

Udover, dipolmomenterne i Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ blev beregnet til 22,32 Debye (D), hvilket resulterer i et kæmpe internt elektrisk felt (IEF). Som vist i figur 1e, sammenlignet med Bi ₁₄ CrO ₂₄ , Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ med en større dipol viste en signifikant højere IEF, ladningsseparationseffektivitet og fotokatalytisk ydeevne. Derfor, som illustreret i skema 1, den store krystal dipol af Bi ₈ (CrO ₄ ) O ₁₁ fremkalder en kæmpe IEF, som fremskynder den hurtige adskillelse af fotogenererede elektronhullepar og eksponentielt forbedrer dets fotokatalytiske ydeevne. Mest vigtigt, baseret på ovenstående mekanisme, mange mere effektive fotokatalysatorer kan designes med succes ved at regulere krystaldipolen.