The design and fabrication of TiO2/Bi4O5Br2 step-scheme heterojunctions for the photodegradation of gaseous hydrogen sulfide: DFT calculation, kinetics, pathways, and mechanisms

초록

大气污染已成为威胁人类健康和破坏生态系统的重大问题. 其中, 硫化氢(H2S)因其强烈的毒性、腐蚀性和刺鼻的气味而亟需得到有效解决. 尽管生物降解、化学吸附和物理吸附等传统方法已被用于去除H2S, 但其降解效果仍不理想. 光催化降解H2S因其环境友好和可持续发展的优点而受到越来越多的关注. 然而, 电子-空穴对(e‒-h+)的重组现象严重抑制了光催化降解H2S的效率. 为了解决上述问题, 本文通过原位水热法将TiO2(P25)和Bi4O5Br2薄片组合成TiO2/Bi4O5Br2 异质结光催化剂(命名为x-TB-y: 其中x和y分别表示TiO2:Bi4O5Br2摩尔比和合成溶液的pH值), 并构建了阶梯结构(S-scheme). 通过X射线粉末衍射和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)证明了TiO2/Bi4O5Br2复合材料的成功制备. 扫描电镜和透射电镜结果表明, 在TiO2/Bi4O5Br2复合材料中, TiO2和Bi4O5Br2分别呈现为球状和片装形貌. 利用X射线电子能谱(XPS)技术, 并结合密度泛函理论计算揭示了该材料的内部电场结构. 光电流强度曲线和电化学阻抗曲线表明, 相较于TiO2和Bi4O5Br2, 5-TB-9具有更强的载流子分离和传输能力. 通过紫外-可见漫反射光谱和莫特肖特基曲线表征了材料的导带和价带位置, 并结合电子自旋共振和原位XPS, 证实了TiO2/Bi4O5Br2中S-scheme的电荷转移途径. 优化后的异质结光催化剂5-TB-9, 在12 min内对在17 L密闭空间内10 ppm H2S表出较高的去除效率(> 99%). 同时, 5-TB-9异质结催化剂具有较高的去除动力学速率(r: 0.7 mmol·h‒1·g‒1)、特定清洁空气输送率(SCADR: 5554 L·h‒1 ·g‒1)和量子产率(QY: 3.24 E-3 分子/光子). 此外, 研究了5-TB-9在不同催化剂用量(25‒150 mg)、H2S浓度(5–20 ppm)、流速(100–160 L min‒1)和相对湿度(20%–80%)下对H2S的降解效果. 循环降解实验表明, 所制备的5-TB-9光催化剂在6次循环实验后仍保持较高的光催化降解活性, 在12 min内降解了92.0%的H2S. 结合原位FT-IR和气相色谱-质谱结果, 研究了H2S的降解机制, 结果表明H2S直接转化生成了SO42‒, 没有观察到中间产物. 综上, 本文证明了S-scheme TiO2/Bi4O5Br2光催化剂对有害H2S气体的修复潜力, 为设计可持续的环境修复方案提供了参考.

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