大氣中的氮氧化物（NOx）是二次氣溶膠和臭氧形成的重要前體物。因此，開發(fā)出高效的NOx光催化控制技術(shù)對大氣污染防治具有重要意義。鉍（Bi）元素在地殼中儲量豐富，具有較高的環(huán)境材料利用價值。Bi單質(zhì)有效質(zhì)量小、平均自由程大、帶隙重疊小，前期的研究結(jié)果表明其具有較好的等離子體效應。然而，由于其自身結(jié)構(gòu)缺陷，等離子體Bi存在氧化能力弱、活性氧物種少、電子遷移率低等問題，限制了其光催化去除NOx的實際應用。

中國科學院地球環(huán)境研究所研究員黃宇團隊聯(lián)合西安交通大學、香港理工大學等科研團隊，通過低溫化學刻蝕技術(shù)，制備出具有均一介孔結(jié)構(gòu)的等離子體Bi納米球（圖1）。與常規(guī)介孔結(jié)構(gòu)相比，該Bi球孔徑分布窄（3.2-3.9 nm）且費米能級位置低、氧化能力強，光催化活性顯著提高。在可見光照射下，該Bi納米球去除NOx效率提升了16%，且抑制了有毒副產(chǎn)物的生成（圖2）。該研究成果以Chemical etching fabrication of uniform mesoporous Bi@Bi2O3 nanospheres with enhanced visible light-induced photocatalytic oxidation performance for NOx為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2021, 406, 126910）上。

進一步地，針對等離子體Bi表面易氧化生成無定形Bi2O3，導致其自身熱電子傳輸和光催化活性氧物種生成受到抑制等問題，研究團隊利用尿素作為炭源，經(jīng)過二次水熱法，將單質(zhì)Bi球表面無定形Bi2O3轉(zhuǎn)化為結(jié)晶Bi2O2CO3，制備出Bi@Bi2O2CO3核殼結(jié)構(gòu)（圖3）。結(jié)晶Bi2O2CO3作為Bi等離子體熱電子傳輸通道，可有效實現(xiàn)電子的快速遷移，在催化劑表面產(chǎn)生豐富的活性氧物種，從而提高氧化NOx能力（圖4）。該研究成果以Transformation of amorphous Bi2O3 to crystal Bi2O2CO3 on Bi nanospheres surface for photocatalytic NOx oxidation: Intensified hot-electron transfer and reactive oxygen species generation為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2021, 420, 129814）上。 

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃“納米專項”、國家自然科學基金和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。 

圖1.均一介孔Bi納米球制備及結(jié)構(gòu)示意圖 

圖2.均一介孔Bi納米球光催化降解NOx反應機理圖

圖3.Bi@Bi2O2CO3核殼結(jié)構(gòu)制備示意圖

圖4.Bi@Bi2O2CO3核殼結(jié)構(gòu)光催化降解NOx反應機理圖