引言

进入21世纪后，随着工业的快速发展和矿物燃料的广泛应用，人们所面对的资源匮乏和环境污染问题越来越严重。

所以，光催化剂作为一种无污染、无污染的自然、洁净能源，其开发和应用一直是国内外学者所关心的问题。

Fujishima和 Honda于1972年在自然杂志上报道了基于 TiO的单原子层材料的太阳能光解水制氢技术，为该技术的发展奠定了基础。

到了1976年， Carey等2发现了 TiO，它可以用于光催化分解多氯联苯，这标志着光催化技术的应用被更广泛地拓展到了处理环境污染的领域。

非均相光催化是一种以太阳光为能源，以半导体材料为介质，不需要外加任何化学物质就可以完全去除水体中绝大多数的有机污染物，是一种新兴的高级氧化技术。

由于其优良的特性，被公认为是对污水中的有机污染物进行高效处理的一种绿色节能技术，有着广阔的发展前景。

由于该技术的发展，其应用范围已经从单纯的污染物分解和分解水产氢扩展到了 CO，还原，杀菌消毒，空气净化，有机合成等多个方面，为当今人类所面对的环境污染，能源短缺等问题提供了一种全新的、高效的、绿色的、可持续的方法。

但是，常规 TiO的禁带宽度（3.2 eV左右）较大，只能吸收5%的太阳光（UV)，导致其对可见光区的利用效率低下，这极大地制约了其实际应用。

针对氧化钛的不足和使用限制，人们从两个角度进行研究：一是利用不同的修饰方法来提高氧化钛的光催化活性；二是发展具有自主知识产权的半导体材料，实现对其光电催化性能的提升。

铋（Bi）是一种天然含量丰富，来源广泛，性质稳定，价格低廉，具有低毒性和低放射性，是一种绿色资源。同时，多数铋类物质也具有以上特点：无毒或弱毒性、不致癌、不富集、化学性质稳定。

目前已知的Bi2O3基光催化材料类型较多，且多数材料都是特定的层状结构和适宜的能隙，因此不仅可以提高材料在可见光下的稳定性，而且还可以有效地提高光生载流子的传输效率和降低载流子的复合几率。

目前，Bi基半导体的研究，基本上都集中在了环境和能源这两个方面。因此，Bi基半导体光催化材料的制备、修饰和光催化性能日益引起人们的重视。

目前，关于修饰的研究仍然以使用单一修饰方法为主，这样会导致光催化性能的提高比较局限，今后应该着重于通过复合修饰的方法，来进一步提高铋系半导体材料的光催化活性。

Bi基半导体光催化材料中，价带（VB）和空位（CB）是其最基础的能级，两者的能级差值是其能级，又叫能隙（Eg）。在图1中描述了基于 Bi的半导体的光催化材料的反应机制。

Bi基半导体在光照射下，其价带中的一部分电子因其能级比能级更高，从而产生较高的光生电子（e−），并在价带上产生较高的氧自由基（h+)，从而在其价带上产生较高的氧自由基（h+）。

（铋系半导体光催化剂反应机理）

相对于TiO2，大部分 Bi基半导体都具有较强的可见光性，但目前 Bi基半导体还存在一些亟待解决的问题。

首先，目前大部分Bi2O3基半导体光生载流子的复合物含量高，但其光量子利用率不高，致使其光催化性能不佳。其次，Bi基光催化材料的可见光响应性能较差，通常仅能吸收很少的可见光波段。

另外，由于 Bi基材料具有的正导带电势，使得其具有很低的还原活性，从而大大制约了 Bi基材料在光催化还原领域的应用。

截止到现在，研究人员已经开发出了许多种可以用于制备铋基半导体光催化剂的方法，这些方法一般包括：固相合成法、水热法、溶剂热法、超声合成法、溶胶凝胶法、沉淀法、燃烧法、微乳液法、微波辅助法等。

目前，人们对其合成的研究还停留在实验室尺度上，如何在简单、规模化和高收率的基础上，获得高效的 Bi基半导体材料是一个亟待解决的问题。

半导体材料在可见光下的产生、分离和传输过程中起着至关重要的作用。当前， Bi基半导体光催化材料的研究集中在两方面：一是拓宽其对可见光的响应范围。

二是在此基础上，减少光生电子-空穴的再结合，从而提升器件的光生电荷的利用效率，从而达到延长器件寿命的目的。

因此，研究人员已经通过各种行之有效的方法，来对铋系半导体光催化剂进行形貌调控、结构调控等方面的研究。构筑异质结，离子掺杂，碳质材料掺杂，贵金属沉积，染料增敏等方法。

已有的实验结果显示，不同形态的半导体材料在不同程度上会改变其理化特性，而不同形态的半导体材料在不同形态下表现出不同的特性，可以通过形态的控制来增强其光催化活性。

本项目提出的新思路将有效解决传统半导体光催化材料的低比表面、高光生载流子的复杂度、高传质率、高吸光率、高产率的问题，同时还将加快光生电子-空穴的传输、加快光生电荷的传输、提高光的利用率。

随着我国工业化进程的加快，水的污染日趋严峻，各种类型的 POPs在水里积累，给人类的生命安全带来了极大的隐患。

由于其化学性质比较稳定，很难被天然生物处理，目前常用的处理手段包括吸附、化学絮凝、化学氧化、生物降解法和电解等，都有一定的限制，比如处理速率慢，净化不彻底，二次污染等。

多相光催化技术是一种更加绿色、环保和高效的方法。在光照作用下， Bi基半导体光催化剂会生成大量的含氧自由基（如• OH，•O2−）。

最后，可以将污水中的污染物转化成H2O和CO2等无毒或比较无毒的小分子产品，可以被用来对污水中的各种有机染料、抗生素、酚类、重金属等难降解物质进行降解。

除各种水质污染外，污水中还含有多种病原菌，且因长期过量应用导致其对抗生素的抗性而无法有效清除，对人类的生命安全与环境安全构成了极大的危害。

Bi基半导体光催化材料在与病原菌交互作用过程中，会对细胞壁上构成成分（脂多糖、磷脂酰胆碱和肽聚糖）进行氧化分解，造成细胞壁结构的损伤。

另外，在细菌感染过程中，由于细菌的膜孔渗透能力的变化，会使细菌中的有害物质进入细菌体内，从而使细菌在细菌感染后失去养分，从而引起细菌感染。

铋系半导体光催化剂对各种病原细菌的杀伤作用非常好，可以达到对各种病原细菌的彻底杀伤，这也进一步证明了铋系半导体在病原细菌污水处理中具有非常好的应用前景。

（贵金属沉积机理）

造成空气环境污染的比较普遍的两种污染：硝酸盐（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）。

染毒物质具有多样性和广谱性，可导致呼吸道感染，中风，心脏病，癌症等多种疾病的发生。

常规的物理、化学、生化等手段对其进行治理，存在着成本高、降解不彻底、二次污染等问题。

光催化技术是一种新型的绿色处理技术，具有成本低廉、反应条件温和、对污染物降解彻底等优点。因此，人们对其进行了广泛的关注，并证明了其在烟气除汞方面的巨大潜力。

Bi基光催化材料是一种绿色无毒、性能稳定、价格低廉的新型可见光催化材料，在环境污染治理和缓解资源短缺等方面有广泛的应用，是当前国际上的一个新兴的研究热点。

通过形貌调控、异质结构筑、离子掺杂、碳质材料掺杂、贵金属沉积和染料敏化等多种方法，来解决铋系材料的光谱响应范围窄、光生载流子容易复合和导带电荷还原等问题，从而提高其可见光响应范围，提高其光电转化效率。

参考资料

《YANG Mei, YANG Qi, ZHONG Junbo, et al. PVA-assisted hydrothermal preparation of BiOF with remarkably enhanced photocatalytic performance》《LONG Yang, HAN Qiang, YANG Zhiqing, et al. A novel solvent-free strategy for the synthesis of bismuth oxyhalides[J]. Journal of Materials Chemistry A》《MENG S, OGAWA T, OKUMURA H, et al. The effect of potassium chloride on BiVO4 morphology and photocatalysis[J]. Journal of Solid State Chemistry》