海大廖建军/张琳琳团队&齐鲁工大周卫：具有固体内建电场的Cs₃Bi₂Br₉/BiOCl S型异质结光催化剂高效降解聚苯乙烯微塑料

第一作者：张雪

通讯作者：张琳琳，廖建军，周卫

通讯单位：海南大学，齐鲁工业大学

论文 DOI ： https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125288

全文速览

微塑料因其对生态系统和生物健康的潜在威胁而受到广泛关注。本研究通过简易组装工艺成功构建了 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl S 型异质结光催化剂。实验与理论计算证实，异质结界面处形成的固体内建电场可有效促进光生电荷分离。该催化剂在水环境中展现出优异的微塑料降解性能，在可见光照射下可使微塑料质量损失达 42.3±3.89% 。基于中间产物分析，本文提出了相应的光催化降解机理。环境友好性评估表明，降解产物无毒无害。该研究为开发一种环境友好、高效降解水环境中微塑料的 S 型异质结提供了可行的基础。

背景介绍

微塑料（ MPs ）污染已成为全球性环境问题，其通过影响作物生长和人体代谢系统对生态环境及健康构成严重威胁。当前主要降解技术存在明显局限性：生物降解效率低下，光降解易产生二次污染，热降解则能耗过高。相比之下，光催化技术凭借反应条件温和、能耗低等优势展现出良好应用前景。该技术通过半导体催化剂产生光生电子 - 空穴对，进而生成活性氧物种（ ROS ）破坏 MPs 化学键。研究表明， TiO ₂ 、 ZnO 等催化剂在紫外 / 可见光下对 PVC 、 PS 等塑料具有降解效果，但普遍面临载流子复合率高的技术瓶颈。开发高效稳定的新型光催化材料成为解决 MPs 污染的关键研究方向。

本文亮点

1. 用简便的方法构建了 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl S 型异质结光催化剂。

2. 光催化剂在水环境中对微塑料和染料都表现出良好的降解能力。

3. 优异的光催化性能源于异质结中的 S 型电子转移。

图文解析

采用机械诱导自组装法合成 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 光催化剂。 XRD 和 FTIR 进一步证明 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 材料合成成功。

图 1 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 和 BiOCl 的结构表征

利用 XPS 进一步研究了催化剂的化学状态和配位环境，结果表明，黑暗条件下 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 中 Cs 3d 和 Br 3d 峰结合能升高，而 Cl 2p 和 O1s 峰结合能降低，表明电子从 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 向 BiOCl 转移。 BiOCl 较高的功函数证实界面形成了由 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 指向 BiOCl 的内建电场，电荷密度分析显示 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 侧电荷耗尽（蓝色）、 BiOCl 侧电荷积累（黄色）。光照下电子转移方向反转，符合 S 型异质结的电荷转移机制。

图 2 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 和 BiOCl 的 XPS ；功函数；平均电荷密度

以 RhB 为目标污染物， 70% Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 表现出最佳活性（ 60 min 降解率 98.33% ），故选用该比例进行 PS 微塑料降解实验并讨论了影响 PS 降解的不同因素。猝灭实验表明加入 IPA 后降解明显受抑制，证明• OH 是主要活性物种。 ESR 结果进一步证实此结果，光照 5 min 后观察到• OH 的 1:2:2:1 特征峰，同时检测到• O ₂ ^- 和 ¹ O ₂ 信号，表明• OH 起主导作用，而• O ₂ ^- 和 ¹ O ₂ 为次要活性物种。

图 3 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 对罗丹明 B 和聚苯乙烯 (PS) 的降解

为探索光催化降解机理，对 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 、 BiOCl 和 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 复合材料进行了光电化学测试。 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 复合材料较 BiOCl 具有更强的可见光吸收（图 4d ）。并且复合材料的电荷转移电阻降低（ EIS 半圆半径减小），且光电流密度显著提高，表明 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 的引入有效促进了光生载流子的分离与转移，与之前的结果一致。

图 4 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 的 ESR 及光电化学性能

图 5 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 降解 PS 可能的机制

总结与展望

本研究分别通过热注入法和水热法合成了 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ 和 BiOCl ，并通过机械诱导自组装法制备了 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl S 型异质结。 Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 对 PS 微塑料具有较强的光催化降解能力， 50 h 的质量损失达到 42.3±3.89% 。在活性氧的攻击下， PS 生成以碳为中心的自由基，这些自由基通过捕氢、断链、重排产生低分子量中间体，最终矿化成 CO ₂ 和 H ₂ O ，同时生成 CO 和 H ₂ 。此外，在模拟日光和中性 pH 条件下，也取得了一定的光催化降解效果，有利于光催化剂的实际应用。原位 XPS 、 ESR 和 DFT 计算表明， Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl 异质结呈现 S 型能带结构，有利于电荷分离，具有较强的氧化还原能力，从而促进了微塑料的降解。通过 LC-MS 检测，鉴定了可能的中间产物，并讨论了可能的降解机制和途径。该策略为去除水中微塑料提供了新的思路。

文献信息

Cs ₃ Bi ₂ Br ₉ /BiOCl S-scheme heterojunction photocatalysts with solid built-in electric field for efficient polystyrene microplastics degradation, Appl. Catal. B Environ. 371 (2025) 125288.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125288

通讯作者介绍

张琳琳，海南大学环境科学与工程学院副教授，博士 / 硕士生导师。海南省 D 类人才。主要从事环境功能材料，海洋防污等方面的研究。主持青年科学基金项目（ C 类），海南省重点研发计划项目，海南省高层次人才项目。参与 JKW 重点项目，科工局基础科研项目，十三五装备预研共用技术和领域基金等多个项目。以第一或通讯作者在 Applied Catalysis B-Environmental 、 Chemical Engineering Journal 、 Applied Materials & Interfaces 、 Journal of Hazardous Materials 、 Solar RRL 、 Journal of Materials Science & Technology 、 Journal of Colloid and Interface Science 、 Applied Surface Science 、 Catalysis Science & Technology 、 CHEMPLUSCHEM 等期刊上发表论文 60 余篇，影响因子 20 以上论文 5 篇，影响因子 10 以上的论文 10 篇， 2 篇高被引论文。

廖建军，海南大学环境科学与工程学院教授，博士 / 硕士生导师。海南省青年南海名家，海南省拔尖人才。主要从事环境修复材料，电化学传感器及系统集成研究。主持参与国家自然科学基金，海南省重点研发计划项目，海南省自然科学基金等国家及省部级课题 10 余项。在环境领域 Top 期刊累计发表论文 50 篇， SCI 一区论文 20 余篇。

周卫，齐鲁工业大学化学与化工学院教授，博士生导师。主要从事纳米材料、有序介孔二氧化钛、纳米晶半导体材料及有机聚合物半导体材料的设计合成、结构调控、异质结构建、纳米材料的表界面改性与缺陷调控以及在光电催化、光热催化、光催化治理环境污染和太阳能转换等方面的应用研究。主持国家自然科学基金 6 项，以第一和通讯作者在 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. Int. Ed. 、 Adv. Mater. 、 Adv. Funct. Mater. 、 Small 、 Nano Energy 、 Coord. Chem. Rev. 、 Chem Catal. 、 Appl. Catal. B 、 ChemSusChem 、 J. Mater. Chem. A 、 J. Catal. 、 ACS Appl. Mater. Interfaces 、 J. Hazard. Mater. 、 Chem. Eng. J. 等高水平国际期刊发表 SCI 收录研究论文 160 余篇。

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