中南大学刘晓文团队研究成果：g-C₃N₄/Bi₂WO₆复合材料的制备及其光催化性能研究
引 言
随着工业化和人类活动的增加，水中有机污染物，尤其是抗生素类污染物的积累，已成为全球性的环境问题。光催化技术作为一种高效、环保的水处理方法，因其温和的反应条件和低廉的成本而备受关注。本文研究了g-C₃N₄/Bi₂WO₆复合材料的制备及其在光催化降解盐酸四环素（TC）中的应用，旨在通过复合材料的界面异质结提高光催化性能，为水处理提供新的解决方案。文章基于中南大学刘晓文教授团队研究成果及国家“十四五”重点研发计划项目、中南大学中央高校基金项目资助，探讨了g-C₃N₄/Bi₂WO₆复合材料的界面异质结对复合材料光催化性能的影响，以及光催化降解反应的机理和光生电荷转移途径。
01、研究背景
近年来，水中抗生素污染问题日益严重，传统水处理方法难以高效去除这些污染物。光催化技术因其能够在温和条件下高效降解有机污染物而备受瞩目。尽管Bi₂WO₆作为一种半导体光催化剂，在降解有机污染物方面表现出良好性能，但其有限的光吸收范围和较低的光生载流子分离效率限制了实际应用。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）虽然具有优异的光吸收能力和化学稳定性，但其单独应用时光催化效率仍有待提高。g-C₃N₄和Bi₂WO₆的能级结构相互匹配，二者复合可形成异质结，有效提高载流子分离效率，从而增强光催化性能。然而，如何制备组分分布均匀的g-C₃N₄/Bi₂WO₆复合材料仍是挑战。 02、创新亮点 （1）复合材料制备工艺创新 采用热缩聚法和水热法相结合，成功在纳米层状g-C₃N₄表面均匀负载Bi₂WO₆纳米片，制备出组分分布均匀的g-C₃N₄/Bi₂WO₆复合材料。这种制备工艺有效解决了复合材料中颗粒尺寸大、形貌不规则和表面颗粒分布不均匀的问题。 （2）光催化性能显著提升 通过光催化降解盐酸四环素实验，发现10-CN/BWO复合材料在可见光照射下表现出最佳的光催化活性，120 min内TC降解率达到88.03%，显著优于纯g-C₃N₄和Bi₂WO₆。这归因于g-C₃N₄/Bi₂WO₆之间形成的界面异质结，促进了光生电荷的迁移和分离。 （3）循环稳定性优异 经过5次循环实验，10-CN/BWO复合材料对TC的降解率仍保持在81.01%，表现出良好的循环稳定性和可重复使用性。这一特性为实际水处理应用提供了有力支持。 （4）光催化机理深入探讨 通过自由基捕获实验和光电化学测试，揭示了光催化降解TC的主要活性物种为光生空穴（h+）和超氧自由基（O2-），并提出了可能的光催化降解机理。这为进一步优化复合材料的光催化性能提供了理论依据。 03、图文展示 图1 g-C₃N₄、Bi₂WO₆和CN/BWO的XRD图谱 Fig.1 XRD patterns of g-C₃N₄, Bi₂WO₆ and CN/BWO composites 图3 （a）g-C₃N₄、Bi₂WO₆和10-CN/BWO的FT-IR光谱和（b）1 700～1 150 cm-1范围的FT-IR光谱 Fig.3 （a）FT-IR spectra of g-C₃N₄, Bi₂WO₆ and 10-CN/BWO and（b）FT-IR spectra in the range of 1 700-1 150 cm-1 图4 g-C₃N₄、Bi₂WO₆和10-CN/BWO的 UV-Vis吸收图（a）和带隙图（b） Fig.4 （a）UV-Vis absorption spectra and（b）band gap diagrams of g-C₃N₄, Bi₂WO₆, and 10-CN/BWO 图5 g-C₃N₄、Bi₂WO₆和10-CN/BWO的 XPS总谱（a）以及W 4f（b），Bi 4f（c），O 1s（d），C 1s（e），N 1s（f）的高分辨率图谱 Fig.5 （a）XPS survey spectra of g-C₃N₄, Bi₂WO₆, and 10-CN/BWO, and high-resolution spectra of （b）W 4f, （c）Bi 4f, （d）O 1s, （e） C 1s, and （f）N 1s 图7 10-CN/BWO复合材料对TC降解的循环实验 Fig.7 Cycling experiments for the degradation of tetracycline (TC) over the 10-CN/BWO composite 图9 Bi₂WO₆（a）和10-CN/BWO（b）的自由基捕获实验； Fig.9 Radical trapping experiments of（a）Bi₂WO₆ and（b）10-CN/BWO 图10 CN/BWO复合材料的光降解机理图 Fig.10 Schematic illustration of the photocatalytic degradation mechanism of the CN/BWO composite 04、结 论 （1）采用一步水热法成功制备了g-C₃N₄/Bi₂WO₆复合材料，其中Bi₂WO₆纳米片均匀覆盖在g-C₃N₄表面，形成了界面异质结。这种结构显著提高了复合材料的光催化性能。 （2）在可见光照射下，10-CN/BWO复合材料对盐酸四环素表现出显著的光催化降解活性，120 min内降解率达到88.03%，且具有良好的循环稳定性。这主要归因于界面异质结促进了光生电荷的迁移和分离。 （3）通过自由基捕获实验和光电化学测试，证实了光生空穴和超氧自由基是光催化降解TC的主要活性物种，并提出了可能的光催化降解机理。这为未来复合材料的优化和应用提供了科学依据。 引用本文 文章发表于《功能材料》2026年第57卷第2期，欢迎引用本文： 吴尔豪,陈佩,刘晓文.g-C₃N₄/Bi₂WO₆复合材料的制备及其光催化性能研究[J].功能材料,2026,57(2):132-140. WU E H,CHEN P,LIU X W.Synthesis and photocatalytic performance of g-C₃N₄/Bi₂WO₆ composites[J].Journal of functional materials,2026,57(2):132-140.