中空Bi/BiOIFによる高難分解性パーフルオロオクタン酸の分解。表面プラズモン共鳴と修飾バンド構造の相乗効果

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J. Hazard. Mater..2020 Jul;402:123459. S0304-3894(20)31448-5. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.123459.Epub 2020-07-12.

中空Bi/BiOIFによる高難分解性パーフルオロオクタン酸の分解。表面プラズモン共鳴と修飾バンド構造の相乗効果

Decomposition of highly persistent perfluorooctanoic acid by hollow Bi/BiOIF: Synergistic effects of surface plasmon resonance and modified band structures.

Jingzhen Wang
Yingnan Wang
Chunshuai Cao
Ying Zhang
Yinqing Zhang
Lingyan Zhu

PMID: 32683157 DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.123459.

抄録

パーフルオロオクタン酸(PFOA)は強いCF結合により安定性が高く、従来の光触媒では除去が非常に困難である。本研究では、中空微小球構造を有するBiドープBiOIF固溶体を、簡便なワンステップ水熱法により調製した。その結果、純粋なBiOIやBiOFと比較して、Bi/BiOIF固溶体のバンドギャップが大幅に減少し、可視光吸収を促進することがわかった。また、BiOIF固溶体の空洞構造は、表面積と反応活性部位を増大させた。Bi金属の表面プラズモン共鳴(SPR)効果によって支配された局所的な電磁場は、光誘起電荷対の分離を促進した。その結果、Bi/BiOIF(x=0.20,フッ素添加量20%)複合体はPFOAの分解に最も優れた光触媒性能を示し、2時間の照射で40mg/LのPFOAを除去することができた。Bi/BiOIFによるPFOAの分解速度定数(k=0.0375分)は、純BiOI及びBiOFによる分解速度定数の約10倍であった。Bi/BiOIFによるPFOAの分解ではスーパーオキサイドラジカル(-O-)が優勢であり、Bi/BiOIFによるPFOAの分解経路の可能性が提案された。本研究は、高難分解性PFOAの除去において実用化に向けた高効率触媒を提供するものである。

Perfluorooctanoic acid (PFOA) is highly stable due to the strong CF bond and extremely difficult to be removed by conventional photocatalysts. In this study, Bi doped BiOIF solid solutions with hollow microsphere structure were prepared through a facile one-step hydrothermal method. Compared with pure BiOI and BiOF, the band gap of the Bi/BiOIF solid solutions was significantly reduced, thus promoting the visible light absorbance. The cavity structure of the BiOIF solid solutions enhanced the surface areas and active sites for reaction. The local electromagnetic field dominated by surface plasmon resonance (SPR) effect of Bi metal on the surface favored the separation of the photoinduced charge pairs. As a consequence, Bi/BiOIF (x = 0.20, the doping amount of fluorine was 20 %) composite displayed the best photocatalytic performance for decomposing PFOA, and 40 mg/L PFOA could be removed within 2 h illumination. The degradation rate constant (k = 0.0375 min) of PFOA by Bi/BiOIF was about tenfold of that by pure BiOI and BiOF. Superoxide radical (·O-) predominated in the degradation of PFOA by Bi/BiOIF, and the possible degradation pathway of PFOA by Bi/BiOIF was proposed. This work provides a highly efficient catalyst for the practical application in removal of highly persistent PFOA.