AgBr/TiO2/g-C3N4双Z型异质结三元复合光催化剂高效降解有机染料研究

　　本研究针对有机染料废水处理难题，通过构建AgBr/TiO2/g-C3N4双Z型异质结三元复合材料，实现了30分钟内对罗丹明B（RhB）99.7%的高效降解，为开发高效光催化污水处理技术提供了新策略。

　　

随着工业快速发展，有机染料废水对水环境的污染日益严重，其中罗丹明B（RhB）作为典型污染物，对生态系统和人类健康构成显著威胁。传统吸附法等水处理技术存在成本高、污染物降解不彻底等局限性。光催化技术凭借其高效、环境友好等优势，成为废水治理的研究热点。在众多光催化剂中，二氧化钛（TiO₂）虽具有稳定性好、成本低等特点，但其可见光响应弱、光生电子-空穴对复合速率快等缺点限制了实际应用。近年来，通过构建异质结促进电荷分离被证明是提升光催化活性的有效策略。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其化学稳定性良好和能带结构适宜，成为与TiO₂构建异质结的理想材料。然而，二元复合催化剂仍存在效率不足的问题，引入第三种半导体形成三元异质结，可进一步优化载流子分离效率。溴化银（AgBr）在可见光下表现出优异的光吸收和电荷分离能力，其能带结构与TiO₂和g-C₃N₄匹配，有望形成双Z型异质结，大幅提升光催化性能。

为探究三元复合材料的制备方法、结构特性及催化机制，Dongying Wang、Yongmin Chen、Shanshan Yang等研究人员采用水热法合成暴露（001）晶面的TiO₂纳米片，通过球磨法将其与g-C₃N₄复合，再经沉积-沉淀法负载AgBr，成功制备出AgBr/TiO₂/g-C₃N₄（ATC）三元复合材料。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）和光致发光光谱（PL）等技术对材料进行表征，并通过罗丹明B降解实验和自由基捕获试验评价其光催化性能及反应机制。

材料结构与形貌表征

XRD图谱显示ATC中清晰存在AgBr和TiO₂的衍射峰，g-C₃N₄因结晶度低未检测到明显峰位。SEM和TEM结果表明，球磨处理后g-C₃N₄由块状结构转变为纳米片层，与TiO₂纳米片共同附着在AgBr表面，形成紧密接触的异质结构，比表面积增至19.44 m²/g，为反应提供了更多活性位点。XPS分析证实元素化学状态发生变化，Ag 3d谱中检测到Ag⁰的存在，表明部分Ag⁺被还原为金属银，有助于电荷传输。

光学性质与能带结构

UV-vis DRS显示ATC的吸收边带移至475 nm，可见光吸收能力显著增强。通过Tauc图计算得出TiO₂、g-C₃N₄和AgBr的带隙分别为3.08 eV、2.52 eV和2.27 eV。XPS价带谱测定它们的价带电位分别为2.90 eV、2.31 eV和2.07 eV（相对于标准氢电极）。结合带隙值推导出其导带位置，证实三者能带结构符合双Z型异质结的形成条件。PL光谱表明ATC的荧光强度远低于单一组分，说明异质结有效抑制了电子-空穴对复合。

光催化性能评价

在模拟太阳光下，ATC对RhB的降解效率30分钟内达到99.7%，速率常数为0.1 min^-1，分别为g-C₃N₄、TiO₂和AgBr的9.2倍、14.4倍和2.3倍。循环实验显示ATC具有良好的稳定性。自由基捕获实验和电子顺磁共振（EPR）测试表明，超氧自由基（•O₂^?）和空穴（h⁺）是降解过程中的主要活性物种，羟基自由基（•OH）作用较小。

催化机制探讨

基于能带结构和实验证据，研究人员提出双Z型电子转移机制：光照下，TiO₂导带电子与AgBr和g-C₃N₄价带空穴结合，而TiO₂价带空穴直接氧化RhB或参与生成•OH，AgBr和g-C₃N₄导带电子则还原氧气产生•O₂^?，共同实现染料的高效降解。

该研究通过构建AgBr/TiO₂/g-C₃N₄双Z型异质结，成功解决了单一及二元光催化剂效率低、载流子复合率高的问题。三元复合材料不仅扩展了可见光响应范围，还通过多途径电荷传输显著提升了催化活性，为设计高效稳定的光催化剂提供了新思路，在有机废水治理领域具有重要的应用前景。本研究发表于《Journal of Science and Medicine in Sport》，对推动光催化技术在环境修复中的实际应用具有积极意义。