多策略提升卤化氧铋活性材料的光电性能及其在光电化学领域的应用进展

doi:10.3866/PKU.WHXB202309047

物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (2): 100014.doi: 10.3866/PKU.WHXB202309047

多策略提升卤化氧铋活性材料的光电性能及其在光电化学领域的应用进展

严鹏程, 王鹏, 黄婧, 莫曌*(), 徐丽, 陈芸, 张瑜, 齐志冲, 许晖, 李赫楠

江苏大学能源研究院, 材料科学与工程学院, 化学与化工学院, 江苏镇江 212013

收稿日期:2023-09-28 修回日期:2023-11-08 录用日期:2023-11-09 发布日期:2024-01-15
通讯作者: Email: zhaomo@ujs.edu.cn (莫曌)
基金资助:
国家自然科学基金(22202086); 国家自然科学基金(22208129); 江苏省自然科学基金(BK20210774); 江苏省和教育部共建现代农业装备协同创新中心(XTCX2029)

Engineering Multiple Optimization Strategy on Bismuth Oxyhalide Photoactive Materials for Efficient Photoelectrochemical Applications

Pengcheng Yan, Peng Wang, Jing Huang, Zhao Mo*(), Li Xu, Yun Chen, Yu Zhang, Zhichong Qi, Hui Xu, Henan Li

Institute for Energy Research, School of Materials Science and Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China

Received:2023-09-28 Revised:2023-11-08 Accepted:2023-11-09 Published:2024-01-15
Contact: Email: zhaomo@ujs.edu.cn (Zhao Mo)
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22202086); the National Natural Science Foundation of China(22208129); Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20210774); Jiangsu Province and the Ministry of Education CoSponsored Synergistic Innovation Center of Modern Agricultural Equipment(XTCX2029)

摘要/Abstract

摘要：

光电化学(PEC)技术作为一种简单的太阳能转换装置，是解决环境和能源挑战最有前途的方法之一。PEC技术主要涉及到在光照射下光活性材料被激发导致载流子生成和电荷转移，进而发生光电转换的过程，活性材料在整个系统中起着核心作用。因此，获得高效PEC性能的关键是设计和合成高光电活性材料。光活性材料的光电转化效率主要取决于较宽的光吸收响应范围和较快的光生载流子分离和传递速率。常见的光敏半导体可以作为光电活性材料，包括金属氧化物、金属硫化物、有机小分子和有机聚合物等。但是由于单个半导体材料的固有局限性，难以满足不断增长的检测需求。探索具有特定结构组成的功能复合材料可以克服单个半导体材料的性能缺陷。此外，太阳光谱中紫外光区仅占约5%，而可见光占比约45%。研发可见光驱动的光电活性材料例如银基、铋基、有机聚合物材料等对于PEC技术的商业应用具有更重要意义。由于BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)基材料具有带隙可调、独特的层状结构、无毒性、光吸收范围宽、光稳定性优异等特点，基于BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)的PEC技术已成为研究热点。本文介绍了BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)基材料的理化性质，从提升太阳光的利用率、抑制光生电子和空穴的复合着手，从表面和界面两个角度讨论了BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)基材料的改性方法，重点介绍了其在微结构调控、表面缺陷、官能团修饰、金属沉积、杂原子掺杂和异质结构建等方面的研究进展。通过不同的设计策略，可以有效地提高BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)光生载流子的分离效率，从而提高其PEC性能。介绍了改性BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)在PEC传感、光电水分解、光电催化降解、CO₂还原、固氮和光催化燃料电池等方面的应用。最后，讨论了BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)材料在上述应用中面临的挑战，并对BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)材料未来的研究和实际应用进行了展望。

关键词: 卤化氧铋, 光电化学性能, 电荷分离, 传感器, 异质结

Abstract:

The photoelectrochemical (PEC) technique, as a simple solar energy conversion device, is one of the most promising solutions for addressing both environmental and energy challenges. PEC technique mainly involves the photoconversion process of photoactive materials through carrier excitation and charge transfer under light irradiation, and the active material plays a central role in the entire system. The design and synthesis of highly PEC active materials is crucial for achieving efficient PEC performance. The photoelectric conversion efficiency of photoactive materials mainly depends on two aspects: first, the broad range of light absorption response; second, the rapid separation/transfer rate of photogenerated carriers. Common photosensitive semiconductors can be used as photoelectric active materials, including metal oxides, metal sulfides, organic small molecules and organic polymers. However, achieving a high photoelectric conversion efficiency is challenging due to the inherent limitations of using a single semiconductor material. Exploring functional composites with specific structural compositions can overcome the performance deficiencies of individual semiconductor materials. In addition, the ultraviolet region of the solar spectrum accounts for only about 5%, while visible light accounts for approximately 45%. The development of PEC active materials that can be driven by visible light, such as silver, bismuth, and organic polymer materials, is crucial for the commercial application of PEC technique. Due to the characteristics of bismuth oxyhalide BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)-based materials, such as an adjustable band gap, a unique layered structure, non-toxicity, a wide light absorption range and outstanding light stability, the PEC technique based on BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ) has become a popular research topic. In this paper, the physicochemical properties of BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)-based materials are reviewed. The methods used to modify BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ)-based materials from the perspectives of surface and interface are discussed. These modifications aim to improve the utilization rate of sunlight and inhibit the recombination of photogenerated electrons and holes. Additionally, the research progress in microstructure modulation, surface vacancy, functional group modification, metal loading, heteroatom doping and heterojunction construction is emphasized. Through various design strategies, the separation efficiency of photogenerated carriers in BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ) can be effectively enhanced, thereby improving its performance in PEC applications. The significant contributions of modified BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ) to various applications, including PEC sensing, PEC water splitting, photoelectrocatalytic degradation, CO₂ reduction, nitrogen fixation and photocatalytic fuel cells are described. Finally, the challenges in the aforementioned applications of BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ) materials are discussed, and the future research and practical application of BiOX (X = Cl, Br, Ⅰ) are prospected.

Key words: Bismuth oxyhalide, Photoelectrochemical performance, Charge separation, Sensor, Heterojunction

严鹏程, 王鹏, 黄婧, 莫曌, 徐丽, 陈芸, 张瑜, 齐志冲, 许晖, 李赫楠. 多策略提升卤化氧铋活性材料的光电性能及其在光电化学领域的应用进展[J]. 物理化学学报, 2025, 41(2), 100014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309047

Pengcheng Yan, Peng Wang, Jing Huang, Zhao Mo, Li Xu, Yun Chen, Yu Zhang, Zhichong Qi, Hui Xu, Henan Li. Engineering Multiple Optimization Strategy on Bismuth Oxyhalide Photoactive Materials for Efficient Photoelectrochemical Applications[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(2), 100014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309047

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202309047

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2025/V41/I2/100014

图/表 21

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表1

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表2

图11

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表3

Photoelectrode	Light	Pollutants	Time (h)	Activity (%)	Date	Reference
FCN/BiOI	visible light (λ ≥ 420 nm)	methyl red	1.5	97.91	2023	259
BiOCl/ZnS-V_Zn+O	300 W Xe lamp	norfloxacin	0.83	97.9	2023	260
Bi_3.64Mo_0.36O_6.55/BiOI	LED light	TC	1.5	90.1	2023	261
BiOI-decorated Bi₁₂SiO₂₀	300 W Xe lamp	bisphenol A	1	83	2023	262
BiOI/BiOBr	300 W Xe lamp	TC	1.5	91.92	2023	263
BiOI/graphene Hydrogel	visible light (λ ≥ 420 nm)	phenol	5	83	2022	257
CuO/BiOCl	PEAC 200A PEC reaction instrument	aflatoxin B1	3	81.7	2022	264
rGO/BiOBr/TiO₂ nanotube arrays	300 W Xe lamp	p-chloronitrobenzene	8	70.1	2022	265
rGO/BiOBr/TiO₂ nanotube arrays	300 W Xe lamp	p-chloronitrobenzene	6	75.2	2022	266
BiOX-TiO₂	500 W Xe lamp	RhB	1	86.1	2022	267
BiOI/Carbon aerogel	500 W Xe lamp	phenol	2	83.2	2022	268
Ag-BiVO₄/BiOI anode and Ag-BiOI cathode	100 W Xe lamp	diclofenac sodium	2	92	2022	269
BiOI/MnO₂	100 W Xe lamp	TC hydrochloride	2	92	2022	270
BiOBr/TiO₂ nanotube arrays	300 W Xe lamp	p-chloronitrobenzene	6	71.96	2021	271
TiO₂ NTs/B₂S3-BiOBr	500 W Xe lamp	methylene blue (MB)	2	90.53	2020	272
BiOBr nanosheet arrays	500 W Xe lamp	ciprofloxacin	3	91.4	2020	273
rGO/BiOI/rGO	300 W Xe lamp	RhB	5	80	2020	274
CdS/BiOI/WO₃	visible light (λ ≥ 420 nm)	MB	2	98.3	2020	275
BiOI/WO₃	500 mW∙cm⁻² visible light	MB	2	86.7	2019	276
g-C₃N₄/BiOI/EG	300 W compact Xe lamp	sulfamethoxazole	3	52	2019	277
TiO₂ NTs/AgBr/BiOBr	500 W Xe lamp (CEL-S500)	MB methyl orange (MO) RhB	2 3 3	93 92.15 98.36	2019	278
2D BiOI nanosheet/1DBiPO₄ nanorod	500 W Xe lamp	TC	4	85	2019	279
2D/1D BiOBr/TiO_2−x nanotubes	300W Xe lamp	RhB	1.67	60	2018	280
CuI/BiOI	300 W Xe lamp	MB	2	87	2017	281
3D Bi₂O₃-BiOI	500 W Xe lamp	phenol	3	80	2017	282
ZnO/BiOBr	300 W Xe lamp	RhB	1.67	95.4	2016	283
BiOI Nanoplate-Zinc Oxide Nanorod	300 W Xe lamp	Congo red	2	93.66	2015	284
BiOI/TiO₂ nanotube arrays	300 W Xe lamp	MO	3	91	2014	285
BiOI/TiO₂ Nanotube	300 W Xe lamp	MO	2.67	92	2011	286

表3

图14

图15

图16

图17

图18

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PEC Sensor	Analyte	Detection limit	Detection range	Date	Reference
BiOI/Bi₂S₃	Hg²⁺	0.2–3.0 μmol·L⁻¹	0.7 nmol·L⁻¹	2023	182
BOB-R	doxycycline	0.026 μmol·L⁻¹	0.1–100 μmol·L⁻¹	2023	183
TiO₂-Au-BiOI	L-Cysteine (Cyst)	70 nmol·L⁻¹	80 nmol·L⁻¹-200 μmol·L⁻¹	2023	184
TiO₂/BiOBr	H₂O₂	5 nmol·L⁻¹	10 nmol·L⁻¹–100 μmol·L⁻¹	2021	185
Au/BiOI	copper(Ⅱ)	0.4 μmol·L⁻¹	1–50 μmol·L⁻¹	2021	186
BiOBr/Bi₂S₃	malathion	0.12 pg∙mL⁻¹	0.001–1000 ng∙mL⁻¹	2021	187
carbon nitride-modified BiOI	chromium (Ⅵ)	0.1 µmol·L⁻¹	0.5–190 µmol·L⁻¹	2021	188
Bi/BiPO₄/BiOI	levofoxacin	0.015 μmol·L⁻¹	0.2–2 μmol·L⁻¹; 2–7 μmol·L⁻¹	2021	189
CdS/Bi₂S₃/BiOCl	alkaline phosphatase	0.06 U∙L⁻¹	0.1–4000 U∙L⁻¹	2021	190
BiOBr-TNTA	glucose	10 nmol·L⁻¹	5 × 10²–3 × 10⁷ nmol·L⁻¹	2020	191
MoS₂ modified BiOI	chromium (Ⅵ)	0.01 μmol·L⁻¹	0.05–160 μmol·L⁻¹	2020	192
Carbon Nanotubes/BiPO₄/BiOI	salicylic acid	0.55 μmol·L⁻¹	1–320 μmol·L⁻¹; 480–3840 μmol·L⁻¹	2020	193
Bi/BiOI	chromium (Ⅵ)	0.3 μmol·L⁻¹	1–230 μmol·L⁻¹	2019	194
NGQDs/BiOBr	paracetamol	3.33 nmol·L⁻¹	0.01–20.0 μmol·L⁻¹	2019	195
Bi₂S₃/BiOCl	sulfate-reducing bacteria	29 cfu∙mL⁻¹	102–106 cfu∙mL⁻¹	2018	167
BiPO₄/BiOCl/g-C₃N₄	dopamine	0.023 μmol·L⁻¹	0.05–10 μmol·L⁻¹	2016	196
N-GQDs/BiOBr nanohybrids	glutathione	1.7 µmol·L⁻¹	5–800 µmol·L⁻¹	2016	197
molecularly imprinted polymer/ BiOI nanoflake	2, 4-dichlorophenoxyacetic acid	0.04 ng∙mL⁻¹	0.1–10.0 ng∙mL⁻¹; 20.0–900.0 ng∙ mL⁻¹	2014	198
BiOCl/TiO₂ NTAs	glucose	5.7 μmol·L⁻¹	0–1300 μmol·L⁻¹	2014	199

PEC Sensor	Analyte	Detection limit	Detection range	Date	Reference
BiOI/Ti₃C₂T_X	glucose	0.02 μmol∙L⁻¹	0.03–1500 μmol∙L⁻¹	2022	206
TiO₂@C/Au/3D BiOI	Cr (Ⅵ)	6 nmol∙L⁻¹	10 nmol∙L⁻¹–200 μmol∙L⁻¹	2023	207
BiOBr_xI_1–x/Ti₃C₂	Hg²⁺	0.0421 nmol∙L⁻¹	0.1–1000 nmol∙L⁻¹	2022	208
3D flower-shaped BiOI	norfloxacin	0.04 nmol∙L⁻¹	0.1–1000 nmol∙L⁻¹	2021	209
AuNPs/g-C₃N₄/BiOCl_0.5Br_0.5	2-Chloroethyl Phosphoric Acid	0.0069 μmol∙L⁻¹	20.00 nmol∙L⁻¹–63.00 μmol∙L⁻¹	2021	210
BiOI/Ti₃C₂	l-Cysteine	0.005 nmol∙L⁻¹	0.01 nmol∙L⁻¹–10 μmol∙L⁻¹	2021	211
BiOBr nanosheets	doxycycline	0.14 μmol∙L⁻¹	0.50 μmol∙L⁻¹	2020	212
Molecularly imprinted polymer functionalized BiOBr	chloramphenicol	3.02 pg∙mL⁻¹	1.00 × 10⁻²–1.00×10³ ng∙mL⁻¹	2020	213
Cu₂O-BiOI	H₂O₂	0.44 µmol∙L⁻¹	1.99 µmol∙L⁻¹–17.54 mmol∙L⁻¹	2020	214
BiPO₄/BiOI	ciprofloxacin	8.3 ng∙mL⁻¹	80–7440 ng∙mL⁻¹	2019	215
AuNPs/BiOI/304SS	escherichia coli	46 cfu∙mL⁻¹	10²–10⁶ cfu∙mL⁻¹	2018	216
MIP@BiOINFs/SPE	perfluorooctane sulfonyl fluoride	0.01 ppb	0.05–500.0 ppb	2018	217
g-CN/BiOCl	ciprofloxacin	0.2 ng∙mL⁻¹	0.5–1840 ng∙mL⁻¹	2016	178
Molecularly imprinted polymer modified AgI-BiOI	perfluorooctanic acid	0.01 ppb	0.02–1000.0 ppb	2015	218

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多策略提升卤化氧铋活性材料的光电性能及其在光电化学领域的应用进展

Engineering Multiple Optimization Strategy on Bismuth Oxyhalide Photoactive Materials for Efficient Photoelectrochemical Applications

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