Fang B, Qiu J, Xia G, Zhang L, Li Y, Zhang L, Yao J 等研究者于2025年在 International Journal of Biological Macromolecules 期刊上发表了题为 Efficient photocatalysis enabled by lignocellulose-derived carbon-modified BiOBr: Unlocking the key component in lignocellulose 的研究论文。该研究主要由 南京林业大学化学工程学院 的研究团队完成。此项工作首次系统揭示了木质纤维素（lignocellulose）中不同组分衍生的碳材料对溴氧铋（BiOBr）光催化性能影响的差异，明确了木质素在其中的主导作用。
一、 研究背景与目标
半导体光催化技术是应对环境污染和能源短缺最有前景的策略之一。然而，纯半导体材料如溴氧铋（BiOBr）常面临光生载流子快速复合、量子效率低和光吸收有限等瓶颈。将半导体与碳质材料复合是解决这些问题的有效途径，因为碳材料具有优异的光吸收能力和强导电性。在众多碳源中，木质纤维素生物质作为最丰富的可再生碳源，其应用符合碳中和政策，但直接利用整体木质纤维素衍生碳来改性半导体时，其复杂的组分（木质素、纤维素和半纤维素）构成一个关键的知识空白：哪种组分在提高光催化效率中起主导作用尚不明确，这严重阻碍了从木质纤维素中合理设计高性能光催化剂。因此，本研究旨在利用杨木（poplar wood）作为碳源，通过简便的水热法构建BiOBr/杨木碳（BiOBr/PWC）复合光催化剂，并清晰定义木质素、纤维素和半纤维素中哪个是提升光催化活性的关键组分。
二、 研究详细流程与方法
研究工作主要分为四个阶段进行： 1. BiOBr/杨木碳（BiOBr/PWC）复合催化剂的制备与表征：首先，将杨木粉末在水热条件下（200℃，48小时）处理，制得杨木衍生碳（PWC）分散液。随后，将溴化钾（KBr）溶解于该PWC分散液中，再将其逐滴加入含硝酸铋的醋酸溶液中，经搅拌和160℃、12小时的水热反应，成功制备了BiOBr/PWC复合材料。作为对照，研究者还用去离子水替代碳分散液合成了纯BiOBr。通过改变杨木粉末的用量，还制备了BiOBr/PWC-1和BiOBr/PWC-2。该阶段使用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）、氮气吸附-脱附、紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）等多种手段对材料的晶体结构、形貌、元素组成、比表面积和光吸收特性进行了全面表征。 2. 光催化性能测试与机理研究：以可见光下光催化还原六价铬（Cr(VI)）为模型反应，评估了BiOBr/PWC的光催化活性。通过光电流测试、电化学阻抗谱（EIS）、光致发光光谱（PL）和时间分辨光致发光衰减光谱分析了材料的电荷分离与传输效率。此外，还通过循环实验评估了催化剂的稳定性，并考察了不同pH值和无机盐离子对催化性能的影响，以及在真实太阳光下的实用性。 3. 杨木组分的分离与验证：为了探究关键组分，研究者设计了一套关键的分离和对比方案。他们采用低共熔溶剂（DES，由氯化胆碱和乳酸构成）处理杨木粉末，分离得到纤维素和木质素；另用氢氧化钠溶液处理杨木粉末以提取半纤维素。随后，采用制备PWC完全相同的水热碳化方法，将分离得到的木质素、纤维素和半纤维素分别转化为碳材料（PLC、PCC、PHC），并以相同条件与BiOBr复合，制备了BiOBr/PLC、BiOBr/PCC和BiOBr/PHC。 4. 关键组分的机理解析：对这四种BiOBr/碳复合材料进行光催化还原Cr(VI)的性能对比。通过XRD、SEM、UV-vis DRS、Raman光谱和EIS等表征手段，深入分析了不同组分衍生碳造成性能差异的内在机制，如形貌、光吸收和导电性的差异。
三、 主要研究结果与分析
研究结果表明，BiOBr/PWC复合材料的构建取得了显著成功，其卓越性能是多因素协同作用的结果。 1. BiOBr/PWC的结构与形貌优势：XRD结果确认了BiOBr晶相的稳定存在，但晶体取向发生了变化。纯BiOBr的（102）晶面与（110）晶面衍射峰强度比为1.84，而BiOBr/PWC则为0.56，表明其优先生长从（102）晶面转变为（110）晶面。XPS和Raman分析证实，这是由于PWC上丰富的羟基与BiOBr的Bi3+位点发生强化学作用，稳定了高表面能的（110）晶面。这一相互作用引导了形貌从二维BiOBr纳米片自组装成三维花状BiOBr/PWC结构。该花状结构带来了两大好处：一是其比表面积高达86 m²·g⁻¹，是纯BiOBr（3 m²·g⁻¹）和PWC（11 m²·g⁻¹）的28.7倍和7.8倍，提供了丰富的反应活性位点；二是多孔花状结构增强了光在结构内的穿透和反射，使得BiOBr/PWC在整个可见光区的光吸收能力显著强于纯BiOBr和PWC。 2. BiOBr/PWC的光催化性能与机制：在可见光照射30分钟后，BiOBr/PWC对Cr(VI)的还原率高达95%，而纯BiOBr和PWC分别仅为6%和14%。光电化学测试揭示了其性能增强的动力学原因：BiOBr/PWC展现出最高的光电流密度和最小的EIS阻抗弧半径，表明其电荷分离效率最高、界面电荷转移阻力最小。同时，其PL信号最弱，荧光寿命（4.43 ns）长于纯BiOBr（2.74 ns），证明光生电子-空穴对的复合被有效抑制。这些优势使得更多电子可用于Cr(VI)还原。机理可概括为：PWC和花状结构增强了光吸收，激发BiOBr产生电子-空穴对；电子迅速迁移至导电性良好的PWC上，实现了有效的电荷分离；最终，电子将Cr(VI)还原为Cr(III)。此外，BiOBr/PWC在真实阳光下2小时内仍可实现96%的还原率，并在四次循环后保持较高活性，显示出优异的实用性和稳定性。 3. 关键组分的确定及其机制解析：这是本研究最核心的发现。通过对BiOBr/PLC、BiOBr/PCC和BiOBr/PHC的性能对比，Cr(VI)还原率分别为87%、62%和62%。这一结果清晰地表明，木质素衍生碳（PLC）改性的BiOBr活性远高于纤维素和半纤维素衍生碳改性的材料，证明木质素是杨木中实现高效光催化的主导组分。深入分析揭示了其根本原因：第一，形貌差异。尽管三者都呈现花状，但BiOBr/PCC和BiOBr/PHC的“花瓣”更为致密，而BiOBr/PLC结构更开放，孔道更丰富，这有利于光的穿透与吸收，使其光吸收强度更高。第二，导电性差异。拉曼光谱显示，PLC的D峰与G峰强度比（I_D/I_G）为0.954，是三者中最低的，表明PLC的石墨化程度最高。更高的石墨化程度意味着更高的电导率，这直接导致了BiOBr/PLC的电荷转移阻力最小，这一点得到了EIS测试的证实。因此，更高效的光吸收和更快的电荷传输共同决定了BiOBr/PLC更优的光催化性能。
四、 研究结论与价值
本研究成功通过绿色、经济的水热方法，构建了一种高效的BiOBr/PWC花状光催化剂，并首次明确揭示了木质素在木质纤维素衍生碳基光催化剂中扮演的主导角色。其科学价值在于填补了长久以来的知识空白——即木质纤维素复杂组分中对光催化起主要增效作用的成分是木质素，其衍生碳具有最高的石墨化程度和构建开放孔结构的能力，从而最有利于电荷迁移和光吸收。这一发现为理性设计高性能生物炭基光催化剂提供了明确的理论指导和选材策略。其应用价值在于，杨木作为一种分布广泛、适应性强的生物质资源，其利用途径被有效拓宽，这项工作为高值化利用生物质、开发环境友好的光催化材料以治理重金属污染提供了新的思路，其设计制备策略有望推广至其他生物炭基光催化体系。
五、 研究亮点