综述：基于氧化硫化铋的光催化剂在环境修复和能源转换中的应用：现状与未来展望

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Bismuth oxysulfide-based photocatalysts for environmental remediation and energy conversion: Current status and future perspectives

本文系统综述了Bi?O?S光催化剂的合成方法、改性策略及其在环境净化与能源转换中的应用，重点分析了缺陷工程、元素掺杂和异质结构建等提升光催化性能的关键手段，并探讨了当前挑战与未来研究方向。

　　

王浩宇|郭燕|李文轩|贾月发

中国西安长安大学水与环境学院，710054

摘要

在过去的十年中，由于氧化硫化铋（Bi₂O₂S）具有优异的光电性能、适中的带隙、良好的稳定性和有利的导带位置，它被广泛用于环境修复和能量转换。然而，Bi₂O₂S光催化剂通常存在光载流子复合率高和比表面积小的问题。本文首先系统总结了Bi₂O₂S光催化剂的合成方法，然后重点分析了提高其光催化性能的策略，主要包括缺陷工程、元素掺杂和异质结构构建。此外，还介绍了Bi₂O₂S及其相关材料在环境净化和能量转换领域的应用，并深入探讨了这些光催化系统的典型作用机制。最后，提出了基于Bi₂O₂S的光催化剂研究中的关键挑战和未来发展方向。

引言

自1972年半导体光催化技术首次被报道以来[1]，至今已经探索了多种基于金属氧化物、硫化物和氮化物的光催化剂，这些材料具有不同的结构和组成[2]、[3]、[4]。最初，许多研究集中在一些传统的光催化剂上，如TiO₂[5]、ZnO[6]、SiC[7]、CeO₂[8]等。然而，这些传统光催化剂的主要障碍是它们的带隙较宽，限制了其对可见光的利用。为了更有效地利用太阳光，研究人员合成了多种对可见光响应的光催化剂，例如α-Fe₂O₃[9]、WO₃[10]、Ta₂O₅[11]和CdS[12]，这些光催化剂被广泛应用于污染物去除、水分解和CO₂还原等领域。

与大多数半导体光催化剂相比，基于铋的光催化剂因其低成本和抗光腐蚀性[4]、[13]而受到广泛关注。其中，铋卤化物（BiOX，X = Cl、Br、I）由于其无毒、稳定性和易于制备的特点，在光催化领域得到了广泛应用[14]、[15]。例如，Tahmasebi等人通过沉淀法制备了BiOX用于罗丹明B（RhB）的去除[16]，在紫外光照射下，BiOCl对RhB的去除率在25分钟内达到96%，分别是BiOBr和BiOI的1.5倍和4倍。另一个例子是Wang等人报道，通过水热法合成的BiOX纳米片具有优异的卡马西平降解光催化性能[17]。然而，BiOX光催化剂也存在一些缺点：1) 光能利用效率较低；2) 光生载流子复合速度快；3) 导带（CB）中的电子不足以将O₂转化为超氧阴离子（•O₂^-以实现污染物降解。

近年来，由于氧化硫属化合物（Bi₂O₂X，X = S、Se、Te）具有窄带隙（0.11-1.5 eV）、优异的电子传输能力和高光响应性[18]、[19]，因此受到了研究关注。作为层状结构材料，Bi₂O₂X由交替的[Bi₂O₂]²⁺和[X]^2-层组成[20]。在这些材料中，Bi₂O₂S和Bi₂O₂Se在电子和光电子器件中得到广泛应用。与Bi₂O₂Se相比，Bi₂O₂S具有明显优势：首先，其制备过程通常不需要高温和高毒性的原料[21]；其次，Bi₂O₂S在室温下的电子迁移率（16447-26699 cm²V^-1s^-1）优于Bi₂O₂Se（450 cm²V^-1s^-1）[23]；第三，Bi₂O₂S的强电子（e^-）还原能力更强，其导带最小值（-1.0 eV vs NHE）比Bi₂O₂Se（-0.5 eV vs NHE）更负，更有利于CO₂的还原[24]。因此，Bi₂O₂S在光照射下的有机污染物分解和能量转换方面受到了极大关注。

1984年，Bi₂O₂S首次通过水热法在碱性条件下合成，其结构由[Bi₂O₂]²⁺和S^2-层交替排列形成（图1a和b）[25]。密度泛函理论（DFT）计算表明，Bi₂O₂S具有铁弹性和反铁电性，间接带隙为1.25 eV[26]。随后，Cheng等人使用Bi₂S₃作为原料通过氧化法制备了Bi₂O₂S[27]，实验结果证实其带隙约为1.34 eV，与之前的DFT计算结果一致（1.25 eV）。层状Bi₂O₂S对可见光的响应范围更宽，使其成为优良的光催化剂[28]。此外，与其他基于铋的光催化剂相比，Bi₂O₂S的导带电位更负（-1.0 eV vs NHE）（图1c）。理论上，Bi₂O₂S导带中的光激发电子（e^-）可以与O₂反应生成•O₂^-自由基，进一步氧化污染物。例如，Tank R. Seling等人通过水热法合成了Bi₂O₂S纳米片[29]，在可见光照射下，其对刚果红（CR）和玫瑰红（RB）的去除效率分别达到82%和80.6%。Arreerat Jiamprasertboon等人发现Bi₂O₂S纳米片在可见光照射下具有降解四环素的能力[30]。尽管已有许多关于基于铋的光催化剂在环境修复和能量转换方面的综述，如BiO_2-x-基[31]、Bi₂O₃-基[32]、Bi₂MoO₆-基[33]等，但目前尚无专门针对Bi₂O₂X基光催化剂的综述。

本文总结了高效Bi₂O₂S基光催化剂在环境修复和能量转换方面的最新进展。首先介绍了制备Bi₂O₂S及其光催化剂的一般方法，然后重点探讨了三种主要的改性策略，以深入理解其优点并精确分析其对光催化效率的影响。最后提出了未来研究方向，以激励研究人员进一步开发基于Bi₂O₂S的光催化剂，以实现有机污染物的高效分解和能量转换。

合成方法

Bi₂O₂S的合成方法包括水热法[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、沉淀法[43]、[44]、[45]、[46]、[47]和球磨法[49]。

Bi₂O₂S的改性

由于Bi₂O₂S具有合适的导带位置和化学稳定性，它在光催化领域得到广泛应用。然而，纯Bi₂O₂S的比表面积小且光生载流子复合率高，限制了其应用范围。因此，通过改性策略提升其光催化性能至关重要。目前，可以通过缺陷工程[53]、元素掺杂[54]等多种方法来增强Bi₂O₂S的光催化性能。

结论与未来方向

本文综述了基于Bi₂O₂S的光催化剂在环境修复和能量转换方面的最新进展，特别探讨了缺陷工程、元素掺杂和异质结构构建等改性策略，为优化Bi₂O₂S的光催化性能提供了思路。鉴于基于Bi₂O₂S的光催化剂表现出的优异催化性能，未来值得进一步研究。

作者贡献声明

王浩宇：研究工作、数据分析、原始稿撰写。郭燕：数据整理。李文轩 & 贾月发：资源提供、撰写-审稿-编辑、监督。

作者贡献声明

王浩宇：原始稿撰写、研究工作。郭燕：数据分析、概念构思。李文轩：监督、审稿与编辑。贾月发：撰写-审稿、监督、资源提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国博士后科学基金会（项目编号2020M683394）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。