黄洪伟/田娜Angew.：氢键和原位光致金属Bi0/Ni0加速BiOBr@NiFe-LDH光催化

研究内容

对于异质结系统，由于缺乏稳定的界面驱动力和明确的电荷转移通道，电荷分离和转移效率不令人满意。发生在界面处的光反应机制也较少受到关注。

中国地质大学(北京)黄洪伟/田娜合成了具有短界面氢键和强界面电场（IEF）特征的大面积接触的2D/2D Z方案结BiOBr@NiFe-LDH，证明了原位光诱导金属物辅助电荷转移的机理。BiOBr的O原子和NiFe-LDH的H原子之间的氢键诱导了显著的界面电荷再分配，建立了稳健的IEF。在光催化反应过程中，Bi 0 和Ni 0 在异质结中原位进行，分别作为电子传输介质和电子陷阱，进一步将电荷转移效率提高到71.2%。理论计算进一步证明了Bi 0 的存在增强了IEF。在Bi 0 /BiOBr@Ni 0 /NiFe-LDH中实现了高速空间电荷分离，其具有显著的光催化活性，在可见光照射和过硫酸盐存在下，7分钟内四环素的去除率为88.3%，远远超过了以前报道的大多数光催化剂。相关工作以“Hydrogen Bonds and In-situ Photoinduced Metallic Bi0/Ni0Accelerating Z-scheme Charge Transfer of BiOBr@NiFe-LDH for Highly Efficient Photocatalysis”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者通过静电自组装与氢键连接，合成了2D/2D Z方案异质结BiOBr@NiFe-LDH（BNF）。紧密而大的耦合界面和众多的电荷转移通道，有助于电荷分离和转移。

要点2.原位辐照X射线光电子能谱（ISI-XPS）显示，在光照下，由于Z方案电荷转移模式和IEF的强大驱动力，BiOBr（BOB）中的Bi离子和NiFe-LDH（LDH）中的Ni离子分别形成Bi 0 和Ni 0 。具有良好晶格匹配的零价金属作为电子介质的存在，不仅提高了电荷迁移和分离效率，而且在没有外部引入贵金属电子介质的情况下增强了界面相互作用。

要点3.作者获得了具有高电荷转移效率的Z方案结构。瞬态吸收光谱（fs-TA）表明，异质结在提高光生电子的界面转移效率和抑制载流子复合方面发挥着重要作用。优化的异质结（2-BNF）可以在120分钟内去除98.8%的TC，降解率分别是纯BOB和LDH的6.4和10.3倍，在添加过一硫酸盐（PMS）的情况下，88.3%的TC在7分钟内被降解。通过一系列测试和理论计算，分析和描述了BNF异质结增强Z方案电荷转移的光催化降解机理和PMS活化性能。

这项研究为设计氢键异质结系统提供了有效的见解，并促进了对界面原位光反应的机理理解。

研究图文

图1. （a）BiOBr@NiFe-LDH的制造示意图。（b）BOB、（e）2-BNF的SEM。（c）BOB、（f）2-BNF的TEM。（d）BOB、（g）2-BNF的HRTEM和（h-k）2-BNF中Bi、Br、Fe和Ni的EDX元素图。（l）BOB、LDH和2-BNF的水接触角。

图2.（a，b）样品和（c，d）具有PMS的样品的光催化降解性能和一阶动力学常数（k，min -1 ）。（e）各种有代表性的光催化剂，有或没有PMS的TC光催化降解的性能比较。用Vis/2-BNF/PMS系统对（f-h）未处理的TC溶液（10 mg/L）和（i-k）降解的TC溶液种植豌豆发芽1天至12天的毒性评价实验。

图3.（a）BOB（001）面和LDH（001）面的静电势。（b）BOB和LDH之间的Z方案电荷转移机制的示意图。Ф、E v 和E F 分别代表功函数、真空能级和费米能级。（c）BOB/LDH和（e）BOB/Bi/LDH的几何结构的侧视图，以及（d）BOB/LLDH和（f）BOB/By/LDH的电荷密度差，其中紫色、棕色、红色、黄色、灰色和白色的球指的是Bi、Br、O、Fe、Ni和H原子。（g）平面平均电荷密度差。（h）照明前后异质结界面状态变化的示意图。（i）光照后2-BNF中Ni 2p、O 1s和Bi 4f的ISI-XPS。

图4. （a）BOB、（b）LDH、（c）2-BNF和（d）辐照的2-BNF的2D映射fs TA光谱。（e）BOB、（f）LDH、（g）2-BNF和（h）辐照的2-BNF的TA光谱信号。（i-l）BOB、LDH、2-BNF和辐照的2-BNF的GSB峰的归一化衰变动力学曲线。

图5. 提出了可见光照射下2-BNF/PMS光催化降解TC的机理和反应过程中异质结界面的示意图。

文献详情

Hydrogen Bonds and In-situ Photoinduced Metallic Bi 0 /Ni 0 Accelerating Z-scheme Charge Transfer of BiOBr@NiFe-LDH for Highly Efficient Photocatalysis

Rongjun Sun, Zijian Zhu, Na Tian,* Yihe Zhang, Hongwei Huang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI : https://doi.org/10.1002/anie.202408862

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