柔性銀/碘化鉍/二氧化鈦異質結納米纖維膜用于高效可見光驅動的水消毒

DOI：10.1016/j.jcis.2019.08.017

迫切需要構建柔性無機膜光催化劑用于高效可見光驅動的水消毒，但這仍然是一個巨大的挑戰。在這里，作者通過結合靜電紡絲技術與簡單的連續離子層吸附與反應（SILAR）以及光沉積工藝，制備了柔性且異質結構的銀/碘化鉍/二氧化鈦（Ag / BiOI / TiO₂）納米纖維膜。在這種三元納米復合材料中，超薄BiOI納米板牢固地錨固在TiO₂納米纖維上，而Ag納米顆粒均勻地裝飾在BiOI和TiO₂的表面上。得益于大表面積，改善的可見光吸收以及多異質結誘導的有效界面電荷轉移，在可見光照射下，所得的Ag / BiOI / TiO₂膜表現出優異的光催化消毒活性（1小時內7.5 log滅活大腸桿菌）。此外，根據能帶結構和反應物分析，還提出了Ag / BiOI / TiO2體系的等離子體Z型反應電荷轉移模式。更重要的是，可以方便地構建基于Ag / BiOI / TiO₂膜的光反應器，以對大量的污染水進行高效消毒，并且膜在使用后仍保持良好的結構完整性和機械柔韌性。這項工作可能為設計和構建用于環境應用的柔性高性能光催化膜開辟新途徑。

圖1.（a）柔軟Ag/BiOI/TiO₂納米纖維膜的合成工藝示意圖。 （b）TiO₂，（c）BiOI / TiO₂和（d）Ag / BiOI / TiO₂膜的FE-SEM圖像。 （e）TiO₂，BiOI / TiO₂和Ag / BiOI / TiO₂膜的XRD圖譜和（f）N₂吸附-解吸等溫線。 （g）相應膜的斷裂拉伸應力和彎曲剛度。

圖2.（a，b）Ag / BiOI / TiO₂的低倍TEM圖像。 （c-e）（b）中所示方形部分的HRTEM圖像。 （f）Ag / BiOI / TiO₂的EDS光譜。 （g）Ag / BiOI / TiO₂的STEM圖像和Ti、Zr、O、Bi、I和Ag在單一纖維上的元素映射圖像。

圖3. TiO₂，BiOI，BiOI / TiO₂和Ag / BiOI / TiO₂對大腸桿菌的消毒效率（a）在黑暗中，（b）在可見光照射下（λ> 420 nm）。 （c）分別用不同的光催化劑在無和有可見光照射下處理過的大腸桿菌菌落的照片。 （d）在有Ag / BiOI / TiO₂膜的情況下照射1小時（左）和照射后（右）的大腸桿菌細胞的SEM圖像。使用Ag / BiOI / TiO₂膜進行光催化消毒（e）之前和（f）之后的活大腸桿菌和死大腸桿菌細胞的熒光圖像。 （g）基于柔性Ag / BiOI / TiO₂膜的流水消毒裝置的示意圖。 （h）用于水消毒的Ag / BiOI / TiO₂膜光反應器的循環測試。 （i）五個周期后的Ag / BiOI / TiO₂膜的SEM圖像和光學照片。

圖4.（a）紫外可見DRS光譜，（b）PL光譜，（c）光電流響應和（d）TiO₂，BiOI，BiOI / TiO₂和Ag / BiOI / TiO₂的EIS奈奎斯特圖。

圖5.（a）具有不同反應物清除劑的Ag / BiOI / TiO₂對大腸桿菌的可見光驅動消毒效率。在可見光照射下，BiOI / TiO₂和Ag / BiOI / TiO₂光催化生成（b）·O₂-，（c）·OH，（d）H₂O₂。BiOI / TiO₂和Ag / BiOI / TiO₂的（e）DMPO-·O₂-和（f）DMPO-·OH的ESR光譜。

圖6.示意圖顯示了柔軟Ag / BiOI / TiO₂納米纖維膜的光催化抗菌過程。