袁益欣，女，1997年生，中共党员，毕业于华北水利水电大学。智能建造学院讲师，研究方向：建筑材料与生态智能材料，主要讲授《工程项目管理》《工程经济学》《建设法规》等课程，目前主持3项，参与7项校级项目，以及2项课程建设。现已发表4篇SCI论文（均为中科院二区及以上），以及1篇教改论文。荣获2024“现代中欧杯”全国大学生智慧城市开发与运营大赛全国总决赛“最佳设计奖”以及“优秀指导教师”。
学术解码|别让脏水毁了河流！这种“纳米搭档” 超厉害
想象一下，纺织厂、制药厂排出的废水里，亚甲基蓝（MB）这种难降解的染料正悄悄污染着河流，让清澈的水体变得浑浊不堪——这可不是小事，它不仅破坏生态，还威胁着我们的饮用水安全。多年来，科研人员一直在寻找能 “降服” 它的方法，石墨相氮化碳（g-C3N4）曾被寄予厚望—— 这种半导体光催化剂稳定性好、容易制备，还能吸收可见光，理论上能将有机污染物分解成无害的水和二氧化碳。
可实际应用中，g-C3N4却暴露了“致命短板”：它内部的电子和空穴总爱 “黏在一起” 发生复合，导致光催化效率大打折扣；而且它的可见光吸收率低、带隙值大，能利用的太阳能有限，再加上比表面积小、活性位点少，面对大量工业废水时，根本 “力不从心”。
“能不能给g-C3N4找个‘好搭档’，弥补它的缺陷？”近期，智能建造学院袁益欣老师所在团队用 BiPO4改性g-C3N4构建S 型异质结，开展光催化降解亚甲基蓝实验，得到其降解率达 96.7%、5 次循环后仍有 92.9% 降解率的结果，文章发表在《Diamond & Related Materials》期刊，期刊影响因子5.1，该期刊在材料科学领域具影响力，为相关研究提供重要参考。
接下来，让我们一起揭秘吧！
袁益欣老师所在团队用简单高效的杂化方法，先制备出g-C3N4的二维纳米片，再让BiPO4的一维纳米棒均匀“附着” 在纳米片表面 —— 就像给g-C3N4穿上了一层“功能铠甲”，最终形成了一种特殊的 S 型异质结结构。
为了验证这个“新搭档” 的实力，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，能够清晰看到BiPO4纳米棒牢牢“锚定” 在g-C3N4纳米片上，两者边界清晰，没有出现杂乱的团聚；X 射线衍射（XRD）测试更是证实，改性后的材料同时具备 BiPO4和g-C3N4的特征衍射峰，傅里叶红外光谱（FTIR）也检测到了两者的特征官能团 —— 这意味着，他们成功造出了目标催化剂！
图1. BiPO4（a）、g-C3N4（B）和改性g-C3N4（c）的SEM图像，改性g-C3 N4的TEM（d）和HRTEM（e）图像
图2. BiPO4、g-C3N4和改性g-C3N4的XRD（a）和FTIR（B）光谱
更令人兴奋的是性能测试结果。通过紫外可见漫反射光谱（UV-vis DRS）测试，发现改性后的材料吸收边从BiPO4的 291nm 扩展到了 485nm，可见光吸收能力大大增强；通过 Tauc 曲线计算，还摸清了它的禁带宽度，再结合 Mott-Schottky 曲线，连导带、价带电位都算得明明白白。更关键的是光致发光（PL）光谱测试：纯g-C3N4的荧光峰特别高，说明电子空穴复合严重，而改性材料的荧光峰直接 “腰斩”，证明复合率大幅降低。瞬态光电流（TPC）和电化学阻抗（EIS）测试也给出了佐证：改性材料的光电流更强，电荷转移阻力更小，电子传递效率肉眼可见地提升。
图3. BiPO4、g-C3N4和改性g-C3N4的PL光谱（a）、TPC光谱（B）和EIS光谱（c）
是时候让它‘实战’了！团队以 30mg/L 的亚甲基蓝溶液模拟工业废水，在氙灯模拟的可见光下开展降解实验。30 分钟后，结果让所有人振奋：当BiPO4与g-C3N4质量比为1:2 时，改性催化剂对亚甲基蓝的降解率达到了 96.7%！要知道，纯g-C3N4的降解率仅为46.3%，纯 BiPO4更是只有3.3%，差距悬殊。
更惊喜的是，这种“污水净化神器” 还不是 “偏科生”。团队随后测试了它对四环素（TC）、罗丹明 B（RhB）、甲基橙（MO）等其他有机污染物的降解效果，发现降解率均超过 90%——这意味着，它能应对多种工业废水污染，应用场景大幅拓宽。
为了搞清楚它“战斗力强” 的原因，团队还深入研究了其作用机制。他们往反应体系中分别加入对苯醌（捕捉O2⁻）、乙二胺四乙酸二钠（捕捉 h⁺）和异丙醇（捕捉OH），结果显示：加入对苯醌后，亚甲基蓝降解率直接跌到 9.0%，加入乙二胺四乙酸二钠后降到 45.2%，加入异丙醇后降到 83.3%。结合电子自旋共振（ESR）光谱验证：O2⁻是降解污染物的 “主力”，h⁺和OH 是 “辅助”，三者协同作用，才能高效分解有机污染物。
图4. 改进的g-C3N4（1：2）反应基团捕获曲线（a），DMPO-O2−（B）、TEMPO-h+（c）和DMPO-OH（d）的ESR光谱
而这一切的核心，正是S 型异质结的特殊结构。通过分形密度（PDOS）计算、LUMO/HOMO 轨道分析和 DFT 计算，它的 “工作秘密”被揭开：这种结构能通过弯曲的能带和内建电场，牢牢保留具有强氧化还原活性的空穴和电子，同时让电子和空穴高效分离，既避免了 “内耗”，又最大化发挥了催化能力。
图5. BiPO4、g-C3N4和改性g-C3N4的分形密度图
图6. 改性g-C3N4的LUMO和HOMO轨道
最后，用超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）追踪 MB 的降解过程，团队发现 MB 在降解中会产生 9 种中间产物，这些产物再被O2⁻、h⁺和OH 一步步 “拆解”，最终变成了无害的 CO2和H2O。更让人放心的是稳定性测试：经过 5 次循环使用，它对 MB 的降解率还能保持 92.9%，晶体结构和表面官能团几乎没变——这意味着它不仅好用，还能反复用，在实际污水治理中大有可为。
图7. 可能的MB光催化降解途径
从解决g-C3N4的“先天缺陷”，到造出 S 型异质结 “全能催化剂”，这项研究不仅为污水中有机污染物的治理提供了新方案，更给光催化材料的改性研究打开了新思路。或许在不久的将来，这种 “染料杀手” 就能走进更多污水处理厂，让受污染的水体重新变得清澈。
（图/文 袁益欣/刘起琪）