引言
有机污染物，像合成染料、药物和农药等，会污染水资源，对人类健康和水生生态系统构成严重威胁。这些污染物在水中的浓度因来源和地点而异，从几 ng/L 到几 μg/L 不等。传统的废水处理技术往往无法彻底去除有机污染物，导致它们被排放到水环境中。
高级氧化工艺（AOPs）在去除有机污染物方面日益受到重视。该工艺在水中产生羟基自由基（・OH）和超氧自由基（O2-）等主要活性氧物种（ROS），以降解有机污染物。在 AOPs 中，基于光电催化（PEC）的 AOP 因在外加电压下能增强电荷分离，提高 ROS 生成和有机污染物去除效率而备受关注。
铋钒酸盐（BiVO4）是一种带隙约为 2.4 eV 的半导体光催化剂，广泛应用于 PEC AOPs 中去除水溶液中的有机污染物。与主要吸收紫外光（λ < 400 nm）的传统光催化剂（如二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）和氧化钨（WO3））不同，BiVO4能吸收紫外光和可见光（λ ≤ 520 nm），提高了太阳能的利用率。而且，BiVO4在水氧化方面展现出比 TiO2、ZnO 和 WO3更优异的光催化效率，其价带电位相对较正（约 2.5 V vs. 标准氢电极（SHE）），有利于有机污染物的氧化降解，并且在可见光下比 ZnO 更稳定，能在中性至弱酸性（pH 5 - 6）条件下有效使用，适合实际废水处理。本文将分析 BiVO4基光阳极在去除有机污染物应用中的最新进展，重点关注药物污染物，强调异质结对提高 BiVO4去除效率的作用，指出研究空白，并对未来研究提出建议。
BiVO4的结构和光学性质
BiVO4是一种无毒、经济高效的 n 型半导体，具有良好的化学稳定性。它的吸光度取决于晶体结构，存在三种多晶型：褐钒铋矿（正交晶系）、四方钒铋矿（四方锆石型）和单斜钒铋矿（单斜白钨矿或四方白钨矿型）。单斜白钨矿结构因其较低的带隙能量（约 2.4 eV）和光生载流子复合率，更有利于光电催化。这些特性与其独特的局部键合环境有关，使其在 PEC 应用中更有效。
利用 BiVO4光阳极光电催化去除有机污染物
单斜白钨矿型 BiVO4光阳极在实验室规模研究中已被有效用于 PEC 去除酚类、染料和药物。氟掺杂氧化锡（FTO）常作为 BiVO4沉积的基底。多项研究表明：
- Bennani 等人研究发现，喷雾涂覆的 FTO/BiVO4光阳极在去除去离子水中的苯酚（20 mg/L）时，施加 1.0 V（vs Ag/AgCl）的电位，反应 4 小时后去除效率可达 70%，比 TiO2光阳极高 14%，这得益于 BiVO4对可见光的吸收和更好的电荷分离。
- Bacha 等人利用 BiVO4光阳极在可见光下（300 W 氙灯）去除去离子水中的甲基橙（10 mg/L），施加 2.0 V（vs Ag/AgCl）电压反应 2 小时，去除率仅 11%。但在电解液中加入 16 mM 的 Na2SO3后，相同条件下 2 小时内甲基橙去除率提高到 97%，这可能是由于亚硫酸根离子（SO32-）与 BiVO4表面的・OH 自由基相互作用生成了亚硫酸根自由基（SO3·-）。
- 在其他研究中，向电解液中添加过一硫酸氢钾复合盐（PMS）可增强 BiVO4光阳极对双酚 A（10 mg/L）、氧氟沙星（8 mg/L）的去除效率。PMS 作为光生电子的受体，促进・OH 自由基的生成，使双酚 A 在 0.25 V（vs 饱和甘汞电极（SCE））下 2 小时内被完全去除，氧氟沙星在 1.5 V（vs Ag/AgCl）下 2 小时内被完全去除。电子自旋共振结果表明，・OH 自由基和硫酸根自由基（SO4·-）是去除氧氟沙星的主要氧化物种。
- Cheng 等人利用 BiVO4光阳极与双血红素 / Cu - 碳布阴极配对，有效去除四环素（TC）。BiVO4光生空穴产生・OH 自由基并直接氧化 TC 分子，光生电子转移到阴极生成 H2O2。在施加 0.8 V（vs Ag/AgCl）电压反应 2 小时后，该组合对 TC 的去除率达 93.6% 。
BiVO4基异质结光阳极
为了提高电荷分离效率，BiVO4常与其他光催化剂结合形成异质结。BiVO4基异质结光阳极对有机污染物的去除效率比纯 BiVO4光阳极更高。例如，Cao 等人研究的 BiVO4/Ag3PO4异质结光阳极在去除诺氟沙星（5 mg/L）时，0.5 V（vs SCE）下 90 分钟内可实现完全去除，而纯 BiVO4光阳极的去除率仅为 61.4%。这种性能提升归因于异质结光阳极增强的电荷分离，增加了・OH 自由基的产生，显著改善了去除动力学。众多研究利用不同的 BiVO4异质结光阳极去除多种有机污染物，相关数据表明异质结光阳极在提高去除效率方面具有明显优势。
结论和展望
BiVO4基光阳极在去除多种有机污染物方面，展现出与 UV 驱动光阳极（如 TiO2）相当甚至更优的去除效率。在 PEC 系统中，・OH 自由基是氧化有机污染物的主要活性物种，添加 PMS 可通过生成 SO4·-增强去除效率，异质结光阳极也因改善电荷分离而提高了去除效率。目前研究主要集中在合成染料和药物化合物，使用的污染物浓度在去离子水中为 5 - 50 mg/L。
该领域仍有很大研究潜力。未来研究需探索 BiVO4基光阳极对浓度低于 1 mg/L 有机污染物的去除效果，因为地表水或地下水中的有机污染物浓度大多在低 ng/L 到高 μg/L 之间，这会影响去除动力学。同时，研究水溶液中多种有机污染物的同时去除也很关键，因为新兴关注的污染物在水环境中通常以混合物形式存在。还应聚焦于将 BiVO4基光阳极应用于去除实际废水或工业过程及污水处理厂的出水，这有助于深入了解去除机制以及整体水质对去除效率的影响。此外，运用计算流体动力学（CFD）建模等过程模拟工具，对基于 BiVO4的 PEC 去除在全尺寸反应器中的应用进行技术经济分析，有助于评估采用 BiVO4基光阳极的放大 PEC 反应器设计的可行性。
综上所述，BiVO4基光阳极在水处理应用中具有巨大潜力。随着研究的不断深入，预计未来它将在大规模水处理中得到更广泛的应用。
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