CuS/Bi4Ti3O12 p-n异质结材料的燃烧合成、表征及其在可见光下高效降解2-甲基-4-氯苯氧乙酸除草剂中的光催化应用

摘要： 本研究通过两步法合成了一系列CuS/Bi4Ti3O12 p-n异质结材料。首先采用尿素为燃料的简易燃烧法制备了Aurivillius相Bi4Ti3O12（BT），随后通过水热法沉积5-20 wt%的CuS对Bi4Ti3O12进行改性以制备异质结材料。合成方法与煅烧温度是影响Bi4Ti3O12材料形貌、粒径及相纯度的关键因素。在600℃煅烧温度下获得相纯的BT纳米片，其平面尺寸为150-200 nm，厚度介于50-70 nm之间。水热法制备的纯CuS包含直径1.2-1.6 μm的分级微球。该异质结构材料呈现由超薄CuS纳米片和BT纳米薄片构成的分级花状结构，HRTEM与微观结构研究揭示了两相间存在微观紧密相互作用。光学与电学测试表明，异质结形成显著提升了可见光吸收（400-800 nm）和载流子分离效率。在可见光照射下（3小时内降解率>95%），CuS/Bi4Ti3O12材料对2-甲基-4-氯苯氧乙酸（MCPA）除草剂的水相降解表现出优异光催化活性，其降解速率常数是纯BT材料的4.5倍。通过光谱法（以邻苯二甲酸和硝基蓝四氮唑为分子探针）确认·OH和O2·–自由基为活性物种。结合LC-ESI-MS、TOC及猝灭实验，阐明了光催化剂表面MCPA的降解机制。