物理化学学报丨中国地质大学(武汉)太阳燃料实验室张建军/上海应用技术大学韩生:范德华S型异质结赋予快速电荷转移助力光催化活性提升

本研究提出了一种通过原位沉积策略构建Bi₂O₂S–BiOBr范德华S型异质结的新方法，在避免晶格失配导致异质结界面缺陷问题的同时，实现了宽光响应、高效载流子分离与超快电子转移路径的成功建立。Bi₂O₂S–BiOBr材料在氙灯照射下表现出显著提升的光催化性能，能够在15分钟内快速降解93%的环丙沙星（CIP），且该机制通过原位XPS、荧光寿命和飞秒瞬态吸收等多维度表征得到充分证实。该成果为构建高质量S型异质结光催化体系提供了全新的界面工程路径，也为环境污染治理提供了新的高效材料方案。

抗生素污染已经成为全球水环境治理中的突出问题，其中环丙沙星等典型药物因难以自然降解而在水体中持续累积，导致生态毒性增加、微生物群落紊乱及耐药基因传播风险升高。光催化技术因其绿色、安全、反应条件温和等优势被认为是解决抗生素污染的理想策略。合理设计高效梯型(S型)异质结已成为当前光催化技术领域的一项重要突破。然而，传统S型异质结普遍存在晶格失配问题，导致界面内建电场削弱，从而限制了光生载流子的有效分离。为克服这一瓶颈，本研究提出了一种创新的原位沉积策略，在Bi₂O₂S-BiOBr复合体系中成功构建了范德华S型异质结。该策略有效缓解了晶格失配，实现了紧密的界面结合，从而形成强效内建电场，显著促进了载流子的高效迁移与分离，实现了高效光催化降解抗生素效率。

Bi₂O₂S-BiOBr异质结通过原位沉积法制备（如图1所示）。将预先合成的Bi₂O₂S以不同浓度分散于80 mL去离子水中，随后加入0.485 g Bi(NO₃)₃·5H₂O和0.119 g CTAB。混合物在室温下搅拌2 h后，升温至80 °C继续搅拌2 h。所得固体经去离子水和乙醇洗涤后，于60 °C真空干燥12 h。

图3比较了不同催化剂的CIP降解效率。Bi₂O₂S-BiOBr复合材料的降解速率明显高于纯Bi₂O₂S或BiOBr。值得注意的是，光催化性能强烈依赖于复合材料中Bi₂O₂S的含量，其中20%Bi₂O₂S-BiOBr样品表现出最高活性。这种增强源于更宽的光吸收范围促进更多载流子生成，以及界面内建电场实现更高效的电荷分离与转移。进一步考察了20%Bi₂O₂S-BiOBr的稳定性，经过5次循环后，20%Bi₂O₂S-BiOBr对CIP的光催化降解活性仍基本维持在初始水平。

原位光照XPS测试结果显示（图4a-b），Br元素在光照条件下的结合能相较于暗态条件下向高结合能的方向偏移；而S元素向低结合能方向偏移，这些结合能偏移的方向能够说明电子从BiOBr的导带转移到了Bi₂O₂S的价带，符合S型异质结电子转移机制。Bi₂O₂S在与BiOBr接触前，二者保持稳定的状态。当二者接触后，由于Bi₂O₂S的费米能级高于BiOBr，电子从Bi₂O₂S向BiOBr迁移，形成了由Bi₂O₂S指向BiOBr的内建电场。在光照条件下，电子从BiOBr导带转移到Bi₂O₂S的价带，形成S型电荷转移机制（图4c）。

为进一步理解电子的猝灭行为，提取500 nm处的fs-TA衰减曲线，并采用指数函数进行拟合(图6a和b)。纯BiOBr的衰减曲线符合双指数模型，揭示了两种主要的电子猝灭通道：寿命τ1 (0.33 ps)对应于浅陷阱态中的快速电子俘获过程，而τ2 (11.46 ps)则归属于深陷阱态的电子俘获(图6c)。相比之下，20%Bi₂O₂S-BiOBr的衰减曲线需采用三指数模型进行拟合，表明其电子猝灭过程更加复杂。其中τ1 (0.34 ps)和τ2 (18.13 ps)与BiOBr的对应寿命相近，说明二者存在相似的电子俘获机制(图6d)。值得注意的是，20%Bi₂O₂S-BiOBr中出现了新的中间寿命组分τ3 (2.30 ps)，这一新路径可归因于BiOBr导带电子向Bi₂O₂S价带的超快迁移。该超快电子转移过程的出现，直接证实了复合材料中S型电荷转移机制的存在。

本研究通过原位沉积法成功构建了二元Bi₂O₂S-BiOBr范德华S型异质结光催化剂，其对CIP的光催化降解性能表现出显著提升。特别是20%Bi₂O₂S-BiOBr复合材料在15 min内实现了高达93%的CIP去除率，优于所有对比样品。原位XPS、TRPL及飞秒瞬态吸收光谱等多种表征结果共同验证了Bi₂O₂S与BiOBr之间成功形成了范德华S型异质结。该结构显著增强了光生载流子的分离与传输效率，促使电子和空穴分别富集于Bi₂O₂S与BiOBr两侧，从而保持强氧化还原能力并实现高效的光催化反应。本研究不仅揭示了范德华S型异质结在调控界面电荷行为中的独特优势，也为设计与开发新型高效光催化材料提供了有益的思路与理论指导。

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2025.100211

许凯强，男，工学博士，2022年7月博士毕业于湖南大学，同年加入上海应用技术大学化工与能源技术学部，主要从事光催化相关研究工作。

张建军，中国地质大学（武汉）材料与化学学院长聘副教授，入选2025全球前2%顶尖科学家、湖北省高层次人才计划、湖北省青年科技人才晨光托举工程。主要从事光催化剂中电子转移机理研究，聚焦于利用飞秒瞬态吸收光谱技术解析半导体异质结内超快光生电荷动力学过程。主持国家自然科学基金和湖北省自然科学基金等项目6项，近年来在Nature Rev. Chem.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际SCI期刊发表论文90余篇，其中第一作者及通讯作者论文52篇，SCI他人引用9600余次，个人引文H指数为46，ESI高被引论文21篇，担任InfoMat、Nano-Micro Letters、Exploration等期刊青年编委。