1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期半导体光催化剂BiOCl异质结的构建及应用胥生元1，郝玮1，王杰1，高文生2，谢克锋1（1 兰州交通大学化学化工学院，甘肃 兰州 730070；2 兰州大学化学化工学院，甘肃 兰州 730000）摘要：氯氧化铋（BiOCl）半导体因其独特的层状结构和可调控的电子结构，而在光催化解决环境问题和能源问题领域备受关注。为了提高BiOCl对太阳光的利用率、抑制光生电子-空穴对的高复合率和增强光电子的还原能力等，研究人员对此作出了巨大的努力。其中，构建异质结是最有效的削弱这些缺陷
2、的方法之一。本文主要综述了Z-型、-型、p-n结以及S-型四类异质结的电荷传递机理以及重点介绍了一些具有优异光催化性能的BiOCl异质结。同时，对一些异质结的光催化降解性能进行了比较分析。其中，S型异质结不仅具有高效的电荷分离能力，还有强的氧化还原能力，因此其表现出优异的光催化性能。此外，本文还简述了BiOCl异质结在降解有机污染物、还原CO2、还原重金属和分解H2O等方面的应用。总结了当前BiOCl异质结遇到的一些问题。最后针对BiOCl异质结的构效关系、合成复杂等问题，提出了计算机模拟、载体负载、新技术开发的发展方向。关键词：氯氧化铋；异质结；光生电子-空穴对；光催化剂；半导体中图分类号：
3、TQ426 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1493-15Construction and application of BiOCl heterojunction as semiconductor photocatalystXU Shengyuan1，HAO Wei1，WANG Jie1，GAO Wensheng2，XIE Kefeng1(1 School of Chemistry and Chemical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,Gansu,China;2 College of
4、 Chemistry and Chemical Engineering,Lanzhou University,Lanzhou 730000,Gansu,China)Abstract:Bismuth oxychloride semiconductor has attracted tremendous attention in the field of photocatalysis for solving environmental and energy issues due to its unique layered structure and adjustable electronic str
5、ucture.The researchers have made much efforts that in order to improving the utilization rate of BiOCl for sunlight,overcoming the drawback of the high recombination rates of photogenerated electron-hole pairs,enhancing the reduction ability of photoelectrons and so on.Among them the construction of
6、 heterojunction is one of the most effective ways to reduce these drawbacks.In this article,the charge transfer mechanism in 4 junction systems,Z-scheme,-type,p-n junction and S-scheme,are summarized.Meanwhile,they are highlighted some BiOCl heterojunctions of excellently photocatalytic performance.
7、At the same time,the photocatalytic degradation performance is compared and analyzed for some heterojunctions.The S-scheme heterojunctions achieved high-effectively charge separation and strong photo-redox ability which resulted in exhibited excellently photocatalytic performance.In addition,the app
8、lication of BiOCl heterojunctions in the degradation of organic pollutants,reduction of CO2,reduction of heavy metals and splitting water etc.are introduced.Some 综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0879收稿日期：2022-05-12；修改稿日期：2022-06-22。基金项目：国家自然科学基金青年基金（11905091）；甘肃省青年科技基金（21JR7RA326）；甘肃省高等学校创新基金
9、（2021B-100）。第一作者：胥生元（1996），男，硕士研究生，研究方向为功能材料。Email：。通信作者：谢克锋，副教授，硕士生导师，研究方向为功能材料设计及理论模拟。Email：。引用本文：胥生元,郝玮,王杰,等.半导体光催化剂BiOCl异质结的构建及应用J.化工进展,2023,42(3):1493-1507.Citation：XU Shengyuan,HAO Wei,WANG Jie,et al.Construction and application of BiOCl heterojunction as semiconductor photocatalystJ.Chemical
10、Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1493-化工进展，2023，42（3）problems of BiOCl heterojunction are summed up.Finally,in view of the BiOCl heterojunctions of structure-function relationship and complex synthesis etc.,the development trend in computer simulation,carrier load and development of new
11、technology is put forward.Keywords:bismuth oxychloride;heterojunction;photogenerated electron-hole pairs;photocatalyst;semiconductor随着工业化和城市化的飞速发展，引发了一系列的环境问题，如温室效应、重金属污染与难降解有机物污染等1-3。这些污染严重破坏生态平衡，威胁着人类的可持续发展。半导体光催化技术因在缓解能源短缺和解决环境问题方面的巨大潜力而受到广泛关注4-5。其中，光催化技术因其简单、经济、高效、环保等优点，已成为光催化降解有机污染物6-7、还原 CO28、
12、水制氢9等最有效的方法之一。当半导体上的电子（e）被能量等于或高于其带隙能（Eg）的光子激发后，e从价带（VB）跃迁至导带（CB），并在VB上留下具有氧化能力的光生空穴（h+），而CB上则聚集许多具有还原能力的光电子10-11。光诱导半导体材料产生光生e与h+后，进而诱发生成活性物种h+、OH和O-2等12-14，然后活性物种将各种污染物氧化还原为无毒害的CO2、H2O以及其他无机小分子物质15-17。近年来，伴随着对光催化的深入研究，半导体光催化材料已被认为是缓解能源危机和解决环境污染最具潜力的策略之一，其中BiOCl因其独特的结构更是引起了广泛地关注18-19。BiOCl作为一种三元层状氯
13、化物半导体4，其结构为Bi2O22+层被强电价键束缚在两层Cl之间，同时相邻的Cl层则通过范德华力连接20-22，这种独特的结构产生了固有极化，形成了有利于光致载流子分离的内建电场（IEF）23-25。此外，BiOCl还具有结构易调控、稳定性高、比表面积大、价格低廉等优点，因此被认定是一种优异的光催化材料26。然 而，单 组 分 层 状 BiOCl 作 为 宽 带 隙（3.193.60eV）半导体材料27，导致其仅对能量较高的紫外光有响应，而紫外光仅占入射地球太阳光谱的4%11，因此极大地限制了它的太阳光利用率。此外，BiOCl的e与h+分离后，在强库仑引力作用下，会快速复合28-29。为了克
14、服这些缺陷，研究人员通过对BiOCl 进行改性，来消除这些消极影响。当前，BiOCl的改性方法主要有离子掺杂30-32、空位调控33-36、形貌调控37-38、晶面调控39-40、金属负载41和构建异质结构42等策略。在这些方法中，构建异质结已被证明是提升BiOCl复合材料的光利用率、抑制光生e-h+对复合以及增强BiOCl光催化性能最具潜力的方法之一43。目前，针对 BiOCl 异质结的构建方法快速增多，并且取得了巨大的成功。本文主要综述了近五年来各研究通过设计不同的合成方法，将BiOCl与其他半导体光催化材料耦合，制备各种类型的异质结，并对污染物去除效率等进行研究，来评估其光催化性能7。通
15、常构建异质结能有效提升BiOCl的量子效率、加速光电子的分离和输运速率，增强复合材料的光催化性能44。同时，本文还对BiOCl异质结光催化剂进行了总结与展望，以期能为探究具有更加优异光催化性能的 BiOCl 复合材料提供帮助。1 异质结类型一般来说，两种能带结构不相同的半导体材料耦合，即可在界面处形成异质结。当前，众多研究表明，BiOCl与其他光催化材料耦合构建异质结是一种显著提升其光催化性能的方法，而构建的BiOCl异质结一般具有以下特性：增强光催化材料对太阳光的捕获能力，提高光利用率；加速载流子的分离和迁移速率，降低光生e-h+对的复合率；提升氧化还原反应速率；增强光催化材料的光稳定性12
16、。这些特性有效增强了BiOCl异质结的光催化性能。因此，近年来设计并制备具有良好光催化性能的BiOCl 异质结成为了研究热点。当前，已经报道了多种异质结结构，其中，Z-型、-型、p-n结以及S-型四种BiOCl异质结是目前性能比较优异的复合光催化材料45。1.1 Z-型异质结Z-型异质结由两个交错能带结构的半导体耦合构建。在该结构中，光诱导e与h+具有较高的分离效率和较强的氧化还原能力45-46。光辐射下，Z-型异质结光电子迁移过程如图1(a)所示：首先半导体A和B的价带e跃迁至对应的CB上；然后，B的CB电子通过异质结界面迁移至A的VB上，将弱氧化还原能力的h+与e复合，使A的CB上累积大量e，而具有强还原能力。B的VB上则留下大量光诱 14942023年3月胥生元等：半导体光催化剂BiOCl异质结的构建及应用导h+，而具有强氧化能力47-48。因此，Z-型异质结能有效促进BiOCl复合材料光生e-h+对的分离速率、提高氧化还原能力以及增强光催化活性49。1.2-型异质结-型异质结作为一种位错型能带结构光催化剂。在光诱导下，其e传递方式如图1(b)所示：首先，e分别从半导体的VB跃迁
