AgBr/Br掺杂g-C3 N4 复合材料的构建及其在气升式反应器中高效压电-光催化降解有机污染物的研究

为解决有机染料污染问题，研究人员通过构建AgBr/Br掺杂g-C3 N4 异质结压电-光催化剂，结合分板气升反应器（split-plate airlift reactor）实现高效降解亚甲基蓝（MB）。该研究通过Z型异质结（Z-scheme）和压电极化效应协同提升电荷分离效率，60分钟内降解率达99.7%，且循环5次后活性仅降至95.6%，为环境修复提供了创新性解决方案。

研究背景与意义
有机染料污染对水环境和人类健康构成严重威胁，其中亚甲基蓝（MB）作为典型多环芳香化合物，可引发呕吐、呼吸困难等健康问题。传统处理方法如微生物降解和吸附效率有限，而半导体光催化技术虽能利用太阳能驱动降解，但面临电荷快速复合、材料稳定性差等瓶颈。石墨相氮化碳（g-C₃
N₄
）因其2.7 eV带隙和化学稳定性成为研究热点，但其低比表面积和弱氧化还原能力限制了应用。与此同时，溴化银（AgBr）虽具有可见光响应特性，却易发生光腐蚀（Ag⁺
还原为Ag⁰
）。如何通过材料改性与反应器设计协同提升降解效率，成为环境催化领域的关键挑战。

研究方法与技术
研究人员通过热聚合法制备Br掺杂g-C₃
N₄
，并采用沉淀法构建不同重量百分比（10-40 wt%）的AgBr/Br-g-C₃
N₄
异质结。利用X射线衍射（XRD）和紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析材料结构，通过电子自旋共振（ESR）和自由基捕获实验验证反应机制。降解实验在自主设计的分板气升反应器中完成，结合可见光照射与超声震荡实现压电-光催化协同作用。

研究结果

1. 材料表征：XRD显示Br掺杂使g-C₃
   N₄
   的（002）峰强度降低，AgBr的（200）晶面衍射峰证实异质结成功构建。UV-Vis显示20 wt% AgBr/Br-g-C₃
   N₄
   的带隙降至2.45 eV，可见光吸收显著增强。
2. 降解性能：20 wt% AgBr/Br-g-C₃
   N₄
   在60分钟内实现99.7% MB降解，远超单一组分（纯g-C₃
   N₄
   仅42%）。气升反应器的自混合效应使传质效率提升30%。
3. 机制分析：ESR检测到超氧自由基（·O₂
   ⁻
   ）和空穴（h⁺
   ）为主要活性物种，证实Z型电荷转移路径。压电场抑制了电子-空穴复合，使载流子寿命延长2.3倍。

结论与意义
该研究通过Br掺杂优化g-C₃
N₄
的电子结构，与AgBr构建的Z型异质结结合压电效应，实现了“材料-反应器”双创新。气升反应器的低能耗特性（无需机械搅拌）与催化剂的高稳定性（5次循环后活性保持95.6%），为工业废水处理提供了可规模化应用的解决方案。论文发表于《Journal of Water Process Engineering》，为多场耦合（光-声-流体）催化体系设计提供了范式。