构建三维自支撑的气凝胶光催化剂,是解决粉体纳米催化剂难以回收、二次污染问题的理想方案。然而,将不同维度和功能的纳米材料组装成具有高效电荷分离的三维宏观结构,仍需巧妙的设计。本研究通过一步水热共组装法,在还原氧化石墨烯(rGO)三维网络形成的过程中,同步将g-C₃N₄纳米片和Bi₂WO₆纳米片均匀地锚定在rGO骨架上,制备了CN/BWO/rGO三元气凝胶。在这一设计中,三种材料各自扮演重要角色:g-C₃N₄和Bi₂WO₆是两种能带结构匹配的可见光响应半导体,它们之间以及与rGO之间构成了一种双Z型电荷转移路径。具体而言,g-C₃N₄和Bi₂WO₆的光生电子-空穴对,在两者之间和各自与rGO的界面发生Z型复合,最终使得具有最强还原能力的电子集中在rGO上,具有最强氧化能力的空穴保留在两种半导体上,实现了空间上的高效电荷分离和强氧化还原电位的保留。rGO作为贯穿整个气凝胶的导电骨架和电子汇,是这一双Z型机制的核心枢纽。
在可见光照射下,该气凝胶对水中亚甲基蓝(MB)和双酚A(BPA)展现出了优异的光催化降解活性,其性能均远优于单独组分和二元复合气凝胶。块状的宏观结构使其可以通过简单的镊子夹取就从水中取出,操作极为便利。在连续10次循环使用中,气凝胶的催化活性和三维结构保持稳定,展现了优异的再生性能和机械强度。该研究通过多层次、多维度的材料组装和界面工程,成功构建了具有高效电荷分离网络的三维宏观光催化剂,为光催化水处理技术的实际应用提供了可靠的材料平台。
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