多策略提升卤化氧铋活性材料的光电性能及其在光电化学领域的应用进展

关键词：卤化氧铋；光电化学性能；电荷分离；传感器；异质结

1 引言

几十年来，不断增长的世界人口引发了能源消耗的持续增加和巨大的环境污染，这已引起了广泛关注1。光电化学（PEC）技术作为一种简单的太阳能转换装置，当前被认为是世界上最有前途的同时解决环境和能源问题的方法之一，因此突显了可再生能源的广泛应用。PEC技术包括光电水分解2、光电催化二氧化碳还原3、光电催化降解环境污染物4、光驱动氮（N2）固定5和PEC传感器6。PEC技术是指光照射下光活性材料被激发导致载流子生成和电荷转移，进而发生光电转换的过程7。典型的半导体PEC系统由三个基本组件构成：激发光源、由工作电极（修饰有光敏材料）、对电极和参比电极组成的三电极装置，以及信号读取装置。在PEC系统中，光信号依赖半导体材料转换为电信号。其基本原理如图1所示。当光活性半导体受到光照时，可以产生电子-空穴对。然后，电子从半导体的价带（VB）跃迁到导带（CB），空穴则留在CB中8。随后，电子和空穴从半导体体内分离并迁移到电极表面，分别参与还原和氧化反应，从而产生电信号。光活性半导体必须具有适当的带隙，才能被光照激活9。此外，光生电子和空穴必须满足目标应用的最低热力学能量要求10。毫无疑问，寻求具有优异光电转换效率的光活性半导体是实现高效PEC技术的关键，而光电转换效率主要取决于光活性半导体的能带结构和本质特性1。

TiO2具有低成本、无毒性和高稳定性等特点，且已证实表现出优异的PEC性能11。由于其宽带隙，仅能被占总太阳能不到5%的紫外（UV）区域激发，这限制了其实际应用12，13。针对这一限制，科学研究人员在两个方面作出了努力，以提高在可见光下的PEC性能14，15。一方面是通过耦合、掺杂、染料敏化等策略扩宽传统宽带隙半导体（如TiO2 14和ZnO 15）的光吸收。然而，这些材料单独使用远不能满足实际需求16。另一方面是开发大量可见光驱动的光活性半导体，包括聚合物材料（如碳氮化物16）、金属氧化物17、硫化物18和铋（Bi）基材料19。在探索可见光驱动的光活性半导体过程中，研究人员发现一些d10结构的p型金属的电子轨道可以与O 2p轨道杂化，形成新的优良杂化VB，包括Ag（I）中的Ag 4d轨道和Bi（III）中的Bi 6s轨道，致使带隙变窄，可以捕获可见光20。铋基材料具有低毒性、地球丰富性、强可见光吸收和高效PEC性能，被认为是应用于PEC技术的最理想的光活性材料之一21。

作为铋基半导体材料的一类，所有的铋氧卤化物（BiOX，X = Cl， Br， I）都呈现四方纤锌矿型（PbFCl型）结构，该结构由沿c轴堆叠的[X-Bi-O-Bi-X]层形成22。在每一层中，四个O原子和四个卤素（X）原子围绕一个Bi原子，形成一个不对称的十面体几何结构（图2）。层内的共价键和层间的范德华力可以增强BiOX的各向异性、电学、光学和机械韧性23。[Bi2O2]2+和X−之间的电荷可以产生内建电场，促进载流子的分离。根据密度泛函理论（DFT）计算24，BiOX的VB主要通过X np （X = Cl， Br， I，n =3， 4， 5）和O 2p的杂化形成。CB由Bi 6p轨道形成。当光激发X np上的电子到Bi 6p时，会产生一个光生电子-空穴对。层状结构的BiOX拥有足够的空间来极化相应的原子和原子轨道，诱导偶极矩能够有效分离电子和空穴，从而提高PEC性能。此外，BiOX具有间接跃迁带隙。激发的电子必须经过一些k层才能到达VB，这降低了光生载流子复合率，赋予BiOX一定的PEC性能，使其有望应用于PEC技术领域。

尽管BiOX被认为是有效且环境友好的光活性材料之一，但BiOX材料在PEC技术中的实际应用仍面临以下关键科学问题。首先，尽管BiOX独特的层状结构有利于载流子的有效分离和传输，但载流子在迁移过程中仍容易复合，严重降低BiOX的PEC性能，难以满足实际需求25。其次，BiOX的带隙随着X从Cl到I依次减小，其中BiOCl （～3.2 eV）仅对紫外光有响应，BiOBr （～2.6 eV）对可见光的响应范围较窄，而只有BiOI （～1.8 eV）对可见光有较强的吸收26。此外，I源如NaI和KI的碘盐价格昂贵，也阻碍了BiOI的大规模工业应用。如何在有效分离和快速传输BiOX中光生载流子的同时，拓宽其光吸收范围（可见光甚至近红外光），提高其在可见光下的PEC性能，对于在不久的将来实现PEC领域的大规模工业应用至关重要。在这篇综述中，详细介绍了BiOX光活性材料的各种改性策略，讨论了BiOX基光活性材料在PEC领域的应用，并重点总结了影响BiOX基光活性材料PEC性能的因素。最后，为BiOX基光活性材料在PEC领域的发展前景提出了一些建设性建议。

2 BiOX改性策略

BiOX的光电转换效率与其光生载流子的产生、迁移和氧化还原能力密切相关。毫无疑问，促进载流子的高效分离和快速传输、增加入射光的利用率以及扩展可见光的响应范围是提升BiOXPEC性能的关键。这可以通过多种策略实现，主要分为两类。对于单一成分的BiOX，其PEC性能可以通过表面控制策略来改进，例如微结构调控、晶面控制、表面缺陷工程、富铋策略、固溶体、其他成分或元素的改变策略等。然而，在实际应用中，仅依靠单一成分的BiOX实现工业应用仍不现实，因为其PEC性能最终受到其固有缺陷的限制。第二类是通过界面控制策略形成的BiOX基复合材料，例如异质结构建、元素掺杂和染料敏化等。这些BiOX基复合材料可以协同发挥每个单一成分的作用，加速载流子的分离和传输，并增强光吸收。

2.1 表面控制策略

2.1.1 微观结构调控

纳米材料的微结构调控包括调整其形貌、表面积、尺寸等。这种调整会影响纳米材料的电子结构，从而影响其物理和化学性质27。合理调控纳米材料的微结构已成为提高PEC性能的重要方法28。目前，科研工作者对BiOX形貌的可控合成已进行了广泛研究。报道的BiOX形貌分为一维（1D）纳米带29、纳米丝30、纳米纤维31等，二维（2D）纳米片32，33、纳米板34等，三维（3D）微球35、空心微球36、纳米花37等（图3）。

与2D和3D BiOX相比，1D纳米结构具有高纵横比、各向异性的层状结构和高材料利用率以及较低的载流子复合率29–31，38。1D BiOX纳米结构的制备通常需要使用硬模板法，例如阳极氧化铝（AAO） 模板、活性碳纤维（ACFs） 和聚丙烯腈（PAN） 31，39，40。硬模板法可以增加BiOX的比表面积，但这种方法也存在严重的缺点，如制备周期长、步骤复杂。同时，在去除模板的过程中，通常需要使用高度腐蚀性的HF或NH4HF2，这些化学物质对环境有害并且存在一定的风险41。因此，关于1D BiOX的研究报道相对较少。

由于BiOX固有的层状结构，它往往容易形成2D纳米片或纳米板42。受益于其大的比表面积和独特的各向异性，2D BiOX可以增加与反应物的界面接触，缩短光生电荷的传输路径，实现电子-空穴对的有效分离，从而增强PEC性能43。制备2DBiOX的常用方法包括水热/溶剂热法43–45、热退火46、水解47，48、化学气相沉积法32等。需要注意的是，当这些2D BiOX片的厚度缩小到纳米级甚至原子级水平时，其表面原子结构（如配位数、键长和原子无序度）会发生变化43，49。超薄2D BiOX纳米片可以暴露大部分内部原子，这不可避免地导致表面形成各种结构无序的缺陷。这些缺陷可以增强光吸收并作为参与表面反应的高活性位点，从而显著提升PEC性能50。Di等人报道，原子级厚度的BiOCl纳米片显示出比块体BiOCl更高的光电流，这表明原子级厚度的BiOCl纳米片具有更有效的光生载流子分离51。PEC性能的提升可以归因于以下两个方面：高比例活性晶面的超薄纳米片具有自身的三元缺陷，有助于减少迁移路径，并产生配位不饱和的反应原子和悬挂键。超薄纳米片具有更负的CB位置，有利于电子的传输51。

3D BiOX通常是由1D纳米线或2D纳米片自组装而成，这赋予了3D BiOX增强的装置构建能力和可调节特性52。具体而言，3D BiOX的层状纳米微结构结合了低维构建单元及其组装结构的特点，更有利于太阳能的储存和转换53。对于BiOX半导体来说，3D结构可以提高光捕获能力，缩短电子迁移路径，增强界面电子迁移率，并增加界面活性位点，因此能够有效提升其PEC性能53。基于此，多种有机模板材料被选择用来整合具有增强PEC性能的3D BiOX材料，如离子液体（十六烷基三甲基氯化铵（CTAC） 和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB））、聚丙烯胺盐酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚吡咯、硫脲、氨基酸和蝴蝶翅鳞片等54–58。这些制备方法大多复杂，通常涉及需要高反应温度的水热/溶剂热过程，使用KCl、NaBr等外源卤素，强酸和有毒溶剂。此外，在水溶液中整合表面可调的3DBiOX仍然是一个巨大挑战59。

将BiOX支撑在薄膜基底上具有易于回收和寿命长的优点60，61。Zhang等人报道，通过连续离子层吸附法在导电玻璃上合成了BiOI片阵列薄膜。与煅烧的TiO2/FTO （掺氟氧化锡）相比，它具有显著提高的PEC性能，最大光电转换效率可达4% 62。

2.1.2 晶面调控

不同晶面暴露的BiOX表现出不同的表面电子结构，导致了BiOX的能带差异63。控制晶面的暴露已成为调控BiOX PEC性能的重要方法。生长环境的pH值会影响BiOX的晶面结构和晶相。酸性环境会影响BiOX的表面吸附特性，因此可以实现对BiOX特定晶面的选择性生长，最终达到控制晶面暴露的目的64。Shi等通过简单的水热方法辅助调节生长环境的pH值，控制合成了BiOBr-（001）和BiOBr-（010）纳米片65。BiOBr-（001）的光电流高于BiOBr-（010），表明BiOBr-（001）具有更强的光生载流子分离和传输能力。更重要的是，原位光化学探测研究证实，共同暴露的晶面也可以促进电荷的有效空间分离，并使氧化和还原反应在不同条件下分别发生导致PEC性能提升。此外，一些研究表明，BiOX的（001）晶面可以与其他晶面形成晶面异质结，有助于提高PEC性能66。Zhang等人报道，（110）晶面的CB位置比（001）晶面低0.36 eV，使得光生电子易于从（110）晶面向（001）晶面传输。（001）晶面的VB正于（110）晶面，使得光生空穴从（001）晶面传输至（110）晶面66。Bai团队对BiOCl晶面进行了选择性光沉积实验，发现MnOx作为空穴辅助物倾向于沉积在（110）晶面上，而Au作为电子辅助物更倾向于沉积在（001）晶面上，这也证实了晶面异质结的存在。两个晶面的带隙匹配，使得载流子可以在BiOCl的不同晶面之间定向迁移，从而增强了晶面异质结的PEC性能67。

2.1.3 表面空位工程

氧空位（OV）是BiOX材料中常见的晶格缺陷类型，可以扩展可见光吸收并缩小带隙68。此外，OV倾向于形成带间隙态，可以调节CB和VB的位置69–71。光激发产生的电子被转移到空位位置以避免与空穴复合，导致产生的载流子快速分离和转移，从而显示出优异的PEC性能72，73。Liu等人采用简单的溶剂热法制备了具有表面OV的BiOBr材料74。表面OV能够捕获材料表面的光激发电子，从而限制光生电荷的内部重排。因此，BiOBr-OV显示出比BiOBr更高的光电流，这表明表面OV有利于增强PEC性能75，76。Mao等人采用H2O2处理结合红外辐射法研究了BiOCl中OV浓度与其能带结构之间的关系（图4a–c） 77。表面OV浓度的增加可以缩小BiOCl的带隙，增强光利用率，并提高PEC性能77。此外，Bi空位很少被研究。Di等人报道BiOBr超薄纳米片中表面Bi空位可以调节带隙，引入大量光生载流子，并促进载流子的分离和转移，从而促进BiOX的PEC性能78，79。早期报道过增加BiOI中I原子的百分比可以使VB向上移动80。可以预见，I空位的形成可能会逆转BiOI的最大VB。Wang等人发现I空位的BiOI1−x比原始BiOI具有更高的光电流强度，表明BiOI1−x展现出增强的PEC性能（图4d–h） 81。此外，空位联合体可以引入至BiOX中。Xie团队报道了具有三重空位联合体（ Bi V'''O Bi VV''' ）的BiOCl超薄纳米片可以增加吸附能力并促进电荷分离82。此外，第一性原理计算也证实了大型空位联合体可以捕获光生电子，有效分离光生电子-空穴对，并导致出色的PEC性能83。

2.1.4 功能基团修饰

表面功能化是指利用一些小分子来修饰半导体材料的表面，赋予该材料特定的功能基团84，85。合理利用活性功能基团可以显著增强半导体材料的固有活性，而不仅仅是引入杂质能级以扩展光谱响应范围或调控纳米结构以增加比表面积86。功能基团可以增加活性位点，优化材料的能带结构，从而增强PEC性能87。Wang等人选择含有羟基（OH）的有机溶剂制备富含OH的BiOI 88。富含OH的BiOI表现出更正的表面最大价带（VBM），这意味着它们的光生空穴的氧化能力增强，并在PEC水分解中表现出优异的性能89。Gao等人将BiCl3溶解于二甘醇中形成配合物，然后通过尿素的分解将该配合物的Cl替换为OH，进而合成富含OH的BiOCl 90。富含表面OH使得BiOCl具有较低的带隙，从而提高了其光利用率91。Wu等人将BiOCl中的Cl替换为OH合成了O空位工程Bi2O2（OH）xCl2−x，展示出了卓越的PEC性能92。磷酸氢盐基团的引入亦可以极大地提高BiOX的光生载流子的分离和寿命，类似的工作也有报道93，94。

2.1.5 富铋策略

根据BiOX的DFT计算，BiOX的CB主要由Bi 6p轨道贡献，因此富铋策略可以改变带隙，赋予更强的负CB位置以促进电子还原95，96。此外，富铋策略可以扩大层间距和偶极矩，调节内部电场（IEF），提高电荷分离效率，从而实现增强的PEC性能。因此，富铋BiOX材料的研究引起了广泛关注，并报道了各种不同铋含量的BixOyXz 材料， 包括Bi4O5Br2 96，97 、Bi24O31Br10 98、Bi4O5I2 99、Bi5O7I 100、Bi7O9I3 101、Bi12O15Cl6 102、Bi24O31Cl10 103、Bi3O4Cl 104、Bi12O17Cl2 105、Bi3O4Br 106、Bi5O7Br 107和Bi12O17Br2 108等（图5）。制备不同铋含量的BixOyXz材料通常可以通过脱卤反应实现，主要有三种脱卤方法109。第一种是碱化110。在碱性条件下，富铋BixOyXz的形成过程中，OH−将取代晶格中的卤素原子，形成非化学计量结构。高浓度的OH−会使富铋BixOyXz含有更高的铋含量。第二种是取代反应，在适当的酸性条件下，用卤素取代Bi2O3中的O，制备一系列富铋BixOyXz 111。第三种是在氧气条件下煅烧112。由于在不同煅烧温度下会有不同程度的氧化，通过调节脱卤温度，可以从BiOX制备相应的非化学计量BixOyXz。

2.1.6 固溶体

对于固溶体，单体中的卤素原子被部分替换为另一种外来卤素原子。由于电子结构和原子排列的特性，卤素原子可以在BiOX层状结构中轻易互换。这使得卤素原子几乎可以任意改变，从而形成固溶体113。根据DFT计算，固溶体的带隙随着卤素原子含量的增加而减小114。此外，随着固溶体中较轻卤素的增加，VB顶部的正电荷增加，表明其氧化能力增强。固溶体中X np态的杂化导致较小的VB顶部（VBM）和更强的化学无序度，这可能作为光生空穴的陷阱中心，从而减少电子-空穴复合，最终提高PEC性能115。BiOX基固溶体通常通过控制BiOX中卤素离子的类型和比例制得116。目前，有许多合成BiOX-X固溶体的方法，主要包括水热法、沉淀法和其他化学方法116‒118。沉淀法是一种在溶液中均匀释放结构颗粒并利用重力沉降的方法116。Gao等人将Bi（NO3）3∙5H2O溶解在硝酸中，然后将NH4Br/NH4Cl溶解在水中。混合物经过沉淀和煅烧后得到BiOBrxCl1−x 116 。制备的BiOBrxCl1−x相比于BiOBr和BiOCl具有更窄的带隙，可以吸收更多的光，产生更多的载流子，增强载流子的传输和分离，致使BiOBrxCl1−x相比于BiOBr和BiOCl显示出增强的光电流，证实了固溶体是一种增强PEC性能的有效方法117。Li团队采用简单的溶剂热法制备了BiOI1−xBrx固溶体118 。BiOI1−xBrx固溶体显示出比纯BiOI更高的光电流，表明其PEC性能得到了提升。

2.2 界面调控

2.2.1 异质结构筑

异质结的形成可以有效分离光生载流子并扩展光响应范围，从而提高BiOX基复合材料的PEC性能119。半导体异质结定义为由两种具有不同带隙结构的半导体耦合形成的界面区域。根据带结构的排列，传统异质结可以分为三类：跨越型（I型）、错位型（II型）和破损型（III型），如图6a–c所示。在II型异质结中，由于一个半导体（SC-b）的CB和VB能级低于另一个半导体（SC-a），电子从SC-a的CB迁移到SC-b的CB，而空穴从SC-b的VB迁移到SC-a的VB。这促进了光生载流子的高效分离和转移120。迄今为止，II型异质结因其能够产生显著的电势梯度和电场，从而诱导电荷分离而受到认可。已经有许多半导体与BiOX形成了II型异质结，包括有机半导体（C3N4/BiOBr 121）、金属氧化物（Fe3O4/BiOBr 122、BiOBr@TiO2 123 、SnO2/BiOBr 124） 、金属硫化物（SDS/BiOBr-MB 125、Bi2S3/BiOCl@ZnIn2S4 126）、铋基材料（ 如BiPO4/BiOI 127 、Bi2WO6/BiOCl 128 、Bi3O4Cl/BiOCl 105、BiOI/BiOIO3 129、BiOBrxI1−x/BiOBr 130）、银基材料（AgBr/BiOBr 131） 以及其他材料（ 如LaVO4/BiOBr 132、MIL-53（Fe）/BiOBr 133）。此外，p-n型II型异质结通常具有电场，可以进一步促进电子和空穴之间的传输和分离134。在光照前，n型半导体中的电子扩散到p型半导体中，在界面附近产生正电荷，而负电荷在n型半导体中积累。当n型和p型半导体紧密接触时，在界面处将形成一个“结”空间电荷区。结两侧的能带和结构差异会产生空间电势差。这种空间电势差的存在增强了内建电场，从而提高了PEC性能。例如，2D/2D p-n异质BiOX/还原氧化石墨烯（RGO）提供了更大的异质界面和更高的比表面积。RGO可以作为电子受体，抑制复合材料中的电荷复合，从而提高BiOX/RGO材料的PEC性能135。因此，构建p-n异质结被证明可以有效增强BiOX基材料的PEC性能。

构建n-n异质结已成为增强PEC性能的一种有效方法。n-n异质结是由两种具有相同导电类型的半导体组合而成136。n-n异质结可以诱导IEF，从而促进电子-空穴对的分离并扩大太阳光吸收的有效范围。Gao团队报道了n-Bi2O3/n-BiOCl异质结136，发现Bi2O3和BiOCl之间的界面处形成了有利于光生载流子迁移的内部电子结构。此外，这种n-n异质结扩大了吸收区域，从而显著改善了光生电荷的分离、生成和迁移。

Z型异质结与II型异质结的区别在于它们的电荷载流子迁移机制。在Z型异质结中，光生电子从一个半导体的CB转移到另一个半导体的VB （图6d，e） 137，138。Z型异质结主要通过原位X射线光电子能谱（XPS）分析、电子自旋共振（ESR）分析和理论计算来表征和验证139。（i）原位XPS分析：光照下元素结合能的变化可以揭示系统的电荷转移路径，并最终确认Z型机制。（ii） ESR光谱分析：与II型异质结相比，Z型异质结通常具有更强的氧化还原能力。换句话说，Z型异质结可以产生更多的自由基。因此，可以通过测量自由基的类型和效率来区分这两种异质结。（iii） DFT计算：当还原电位半导体接触具有较低费米能级的半导体时，能带会向上弯曲，导致费米能级降低；相反，当具有较低费米能级的氧化电位半导体与材料接触时接受电子，费米能级上升，导致能带向下弯曲，形成Z型异质结。能带位置和费米能级的组合可以指示Z型异质结的形成140。由于弱的电子传输，Z型异质结通常不够有效，无法促进电荷分离141。Z型异质结可以分为两种主要类型：（i）直接Z型，没有电子媒介，（ii）间接Z型，有电子媒介。Z型异质结通常需要引入电子转移媒介将两个半导体连接在一起，加速载流子的传输和分离，提高PEC性能。Guo等人使用聚多巴胺作为电子转移媒介构建了g-C3N4@PDA/BiOBr （CNPB） Z型异质结142。CNPB表现出比g-C3N4和BiOBr更高的光电流，表明其PEC性能得到了增强。这种创新方法展示了利用Z型异质结和电子转移媒介来改进PEC性能的潜力。

近年来，基于直接Z型异质结提出了一种新的概念，即阶梯异质结（S-scheme） （图6f） 143。这种Sscheme异质结可以描述从低位到高位的电子转移路径，类似于宏观的“阶梯”。S-scheme异质结由氧化光催化剂（OP， SC-a）和还原光催化剂（RP，SCb）组成144。当SC-a和SC-b接触时，SC-b中费米能级较高的电子被转移到费米能级较低的SC-a界面。结果，SC-b一侧失去电子，带正电，而SC-a一侧接受电子，带负电。此外，在SC-b和SC-a的界面上分别发生了向上或向下的能带弯曲。同时，形成了一个内建电场，其方向从SC-b指向SC-a。在光照下，它诱导光生电子从SC-a的CB转移到SC-b的VB。此外，SC-a中的电子与SC-b中的空穴之间的库仑吸引力和能带弯曲也有利于这种电荷转移。同时，库仑排斥力、能带弯曲和内建电场也阻碍了电子从SC-b的CB转移到SC-a的CB（以及空穴从SC-a的VB转移到SC-b的VB）。最终，强光生电子和空穴分别保留在SC-b的CB和SC-a的VB中，而弱光生电子和空穴则复合，致使S-scheme光催化剂具有强氧化还原能力。S-scheme异质结系统实现了电荷分离，并表现出强大的光驱动氧化能力，从而提高了光催化性能145。Li团队通过化学沉淀法成功制备了一种新型的S-scheme 异质结光催化剂CPANI/BiOBr，实现了更宽的光吸收范围和增强的吸收强度146。20% C-PANI/BiOBr在40 min内去除了约100%的3 mg∙L−1 17β-雌二醇，并在9 min内去除了10%的10 mg∙L−1罗丹明B （RhB）。S-scheme转移机制和BiOBr （110）晶面暴露的协同效应为光生载流子的转移提供了高效便捷的路径，极大地促进了载流子的分离和转移，从而提高了光催化性能。

2.2.2 元素掺杂

元素掺杂是一种提高BiOX材料PEC性能的有效策略。掺杂通过将外来元素引入BiOX的晶体结构中，可以导致电子结构、带隙位置和载流子动力学的改变118。元素掺杂包括金属元素和非金属元素的掺杂147。

非金属元素掺杂的原理是，当非金属元素进入BiOX的晶体结构时，它会取代晶体中的部分氧负离子并引入杂质能级。这导致激发电子所需的光能减少148。这种策略在可见光照射下改善了光响应性能，扩展了材料的应用潜力149。此外，非金属元素通常具有较高的电负性，能够捕获电子形成共价键，从而避免因金属离子价态变化而引起的不必要的热变化。Wu等人将硼引入BiOBr晶格中，引入了杂质能级，从而增强了PEC性能150。此外，碳、硫、磷、氮等元素也已成功掺入BiOX中以改善其PEC性能151。

金属元素掺杂主要包括过渡金属离子（ 如Fe3+、Cu2+和Zn2+）的掺杂，可以优化半导体的带隙结构，增强材料的光吸收和载流子迁移，从而提高材料的光催化活性152。Wu等人通过简单的水热法实现了Gd3+对BiOBr的原位掺杂153。将Gd3+引入BiOBr晶格中扩展了材料的光吸收范围。因此，制备的BiOBr/Gd材料的CH3OH生成速率（123.711μmol∙g−1）比单体BiOBr （24.097 μmol∙g−1）在3 h内高出5.2倍。此外，Guo等人通过Zn掺杂BiOBr显著改善了BiOBr基材料的光催化分解水的性能154。光学和电学特性以及DFT计算表明，Zn掺杂BiOBr样品具有更宽的带隙，导致Zn-BiOBr的氧化还原电位更高，电子和空穴的内部复合速率更低。因此，Zn-BiOBr的光催化水分解活性得到了有效提高。

2.2.3 金属纳米粒子负载

目前，金属纳米颗粒负载主要使用贵金属如银、钯、铂等。将贵金属表面负载在BiOX上可以诱导表面等离子共振（SPR），从而扩展太阳光的吸收范围155。此外，贵金属还可以用作电子陷阱，诱导电子和空穴，促进快速载流子的分离和转移，从而改善PEC性能156，157。Wang等人设计将银负载在BiOCl的边缘（BiOCl-Ag-E）上，表现出约450 nm入射光的SPR效应（图7a–c） 158。BiOCl的光电流约为0.13 μA∙cm−2，而BiOCl-Ag-E的光电流为BiOCl的25%，表明在太阳光的照射下，BiOCl-Ag-E产生的等离子态负能级可以导致等离子体载体中的热电子直接注入半导体中。与这些贵金属相比，非贵金属Bi具有高效、低成本和易于应用等显著优势，已经引起了大量关注159。我们的研究团队成功地将具有SPR效应的Bi纳米颗粒均匀分布在BiOBr微球表面（图7d–h） 160。将Bi纳米颗粒引入BiOX材料中也可以诱导SPR效应，并增强可见光区的光吸收。金属Bi与半导体之间形成的肖特基势垒可以促进CB电子向金属Bi的转移，从而增强光电性能161。此外，已经多次报道了Bi金属作为等离子体修饰的BiOX 162。

2.2.4 表面敏化

表面敏化实际上是通过物理或化学方法将分子吸附到BiOX的表面。敏化后的BiOX更容易将激发的电子迁移到BiOX的CB，扩展了BiOX的光响应范围，增强了光利用率，最终改善了PEC性能163。表面敏化主要分为两种类型，一种是染料敏化，另一种是量子点敏化164。染料敏化的过程是染料吸附在BiOX表面，并受太阳能激发。吸附染料中的电子被传导到BiOX的CB中。染料必须具备以下特性：（1）易于吸附在BiOX表面；（2）具有强的光吸收能力；（3）激发态和氧化态的稳定性和活性理想；（4）电荷寿命长且传输效率高；（5）激发电位应与BiOX的CB匹配；（6）相对势垒应低，以减小氧化还原反应中的自由能损失165。染料敏化有助于提高BiOX的可见光利用效率，从而显著改善PEC性能166。然而，由于光敏剂也会受到光的降解，影响PEC效率，因此寻找具有高稳定性和高活性的光敏剂是关键167。常用的光敏剂包括伊红，劳氏紫，赤藓红等。此外，一些常见的有机染料也会引起光敏化，如罗丹明168。Yadav等人证实，艾叶提取物也是增强G-BiOBrxI1−x光学性质的良好敏化剂168。人工智能叶提取物的存在可以用作光捕获色素，增强入射光的吸收，从而促进电荷的光发生。BiOBr、BiOI与来源于叶提取物成分的电子受体π共轭系统之间形成的界面有助于电荷转移过程，最终赋予GBiOBrxI1−x优越的PEC性能。Wang展示了利用简单的静电相互作用方法制备人工Z型Ru（bpy）32+敏化窄带隙BiOI微球（图8a–c） 169。BiOI/Ru（bpy）32+的吸收带边缘扩展到了约715 nm，增强了可见光吸收。Z型结构的引入进一步增强了界面电荷转移和光电转换效率。值得注意的是，Ru（bpy）32+的敏化导致BiOI微球的带隙从1.8 eV降低到了BiOI/Ru（bpy）32+微球的1.3 eV，从而提高了可见光的利用率，导致BiOI/Ru（bpy）32+的光电流约为纯BiOI微球的13.0倍。

除了染料敏化外，量子点敏化是提高PEC效率的有效方法，其中碳量子点（CQDs）是一个典型例子。CQDs是近年来发现的一类新型碳基材料，具有优异的光诱导电子转移和上转换的良好光致发光行为，为有效利用全光谱太阳能开辟了一条新途径。Di等人利用离子液体制备了CQDs/BiOBr复合材料（图8d–f） 170。BiOBr纳米片的吸收边缘为430 nm。随着CQDs质量分数从0.5%增加到5%，CQDs/BiOBr纳米片在430到800 nm范围内的吸收强度逐渐增加。DRS光谱结果显示，CQDs对BiOBr进行了敏化。令人印象深刻的是，CQDs/BiOBr纳米片产生的光电流约为纯BiOBr纳米片的5.8倍。这种增强归因于CQDs敏化导致的光吸收增加，从而促进了光生载流子的产生和高效分离。此外，CQDs的上转换光致发光特性使得可以利用整个太阳光谱，有效地诱导BiOBr的激发产生电子-空穴对，从而显著增强了光催化活性。

3 BiOX基PEC材料的应用

BiOX材料的广泛应用主要归因于其独特的电子、机械和光学性质，再加上分层结构，显著提高了载流子的输运和分离。然而，BiOX仍然存在导电性低、可见光响应有限和载流子快速复合等挑战。从实际角度来看，高效BiOX基材料的制备取决于三个关键：（i）快速的电荷迁移和分离，（ii）增强的太阳能利用率，（iii）持续高光化学稳定性的反应。改性BiOX材料表现出了优异的PEC性能，有效地分离光生电子-空穴对，促进更多载流子从体相迁移到表面参与反应过程。因此，改性BiOX基材料的应用在各个领域都得到了广泛的关注。本节综述了BiOX基材料在PEC领域内的应用。

3.1 PEC传感器

PEC传感器由两个过程组成：光电转换和电化学过程，其中前者是PEC传感的基本组成部分171。一方面，光电转换过程是在光激发的作用下，PEC活性分子的外层电子从基态过渡到激发态。由于激发态具有很高的反应性，它可以通过电子调节机制直接或间接地将电子转移到半导体电极的CB。这个过程产生光电流或光电压。此外，电化学过程可以分为两部分：电子转移和界面响应172。分离的电子迁移到电极表面，而分离的空穴被转移到电解液溶液和电极材料之间的界面。这个过程导致氧化还原反应，产生光电流或光电压173。PEC传感器利用光激发活性材料产生光电流或光电压，目标物质检测依赖于光电流或光电压的变化与目标物质浓度之间的关系174。PEC传感器具有以下优点，包括简单的设备构造、易用性、低检测限、高灵敏度和最小的背景干扰175。其灵敏度可与毛细管电泳、电化学发光和荧光光谱法相媲美，因此成为大多数科研人员的首选。

BiOX基PEC传感器的构建也受到了广泛关注。根据不同的原理，BiOX基PEC传感器可以分为两类：信号开启和信号关闭传感器。信号开启PEC传感器的常见机制如下：在存在分析物的情况下，BiOX基电极VB处的空穴可以氧化分析物，进而导致光生载流子的有效分离，从而增强PEC性能56。我们的团队构建了一个基于g-CN/BiOBr异质结的PEC传感器，用于检测四环素（TC） （图9a–f） 56。g-CN和BiOBr的能带位置匹配，有助于异质结的形成，增强了光生载流子的分离和转移。此外，引入g-CN增强了BiOBr的可见光利用效率，促进了载流子的产生，显著提高了PEC传感器的光电响应。TC被空穴氧化有助于光生载流子的高效转移和分离，致使传感器显示出较宽的线性检测范围（8.0–5200 ng∙mL−1）和低检测限（3.8 ng∙mL−1）。这种PEC传感器具有稳定性和强大的抗干扰能力，为TC检测提供了一种多功能和高效的平台，为未来环境检测材料的发展铺平了道路。我们的团队成功将10 nm的BiPO4纳米晶附着到BiOCl纳米片上，形成了BiPO4/BiOCl异质结（图9g–n） 176。这种异质结与纯BiOCl或BiPO4相比，明显增强了PEC性能，主要原因有两点。首先，异质结防止了光诱导电子-空穴对的复合，有效地将电子输送到外部电路。其次，BiPO4纳米晶缩短了电子输运到表面的路径。通过利用BiPO4/BiOCl异质结，开发了一种用于检测4-氯酚（4-CP）的PEC传感器。该传感器表现出较强的线性相关性、较宽的检测范围（20–33800 ng∙mL−1）、低检测限（6.78 ng∙mL−1）、显著的重复性、特异性和稳定性。因此，该研究不仅引入了一种新的4-CP的分析技术， 还展示了BiPO4/BiOCl异质结在环境监测中的实际应用。我们的团队还制备了BiPO4纳米晶/BiOI/ITO PEC传感器用于检测邻苯二酚177，氮化碳/BiOCl PEC传感器用于检测环丙沙星178，g-CN/BiOI PEC传感器用于检测双酚A 179和Au/BiOCl基传感器用于检测4-CP 180。值得注意的是，Yang等人引入了一种生物蚀刻策略，用于敏化PEC平台，构建了硫酸盐还原菌（SRB）传感器167。SRB类似于厌氧微生物可以将SO42−还原为H2S 181。检测机制如下：在存在Na2SO4的情况下，SRB浓度的增加导致H2S浓度升高，导致形成Bi2S3/BiOCl异质结并放大光电流。同时，Na2SO3作为电子给体，在Bi2S3中被VB空穴氧化，从而增加了光电流。Li等人报道了Bi SPR促进的BiPO4/BiOI基PEC传感器用于检测六价铬（VI） 127。传感机制依赖于能带的排列，有助于电子的分离。光生电子从BiOI的CB过渡到等离子体Bi金属，其中Bi作为电子源和导体以增强PEC性能。额外的光生电子注入到BiPO4 的CB中， 将Cr（VI）还原为Cr（III），在加入Cr（VI）后指数级地提高了光电流密度。其他信号开启PEC传感器总结在下表中（表1） 167，182–199。

信号关闭PEC传感器的常见机制是，分析物通过纯物理吸附或通过化学键形成大分子而被吸附在PEC传感器表面。这种吸附阻碍了电子的传输，导致光电流减小33。我们的研究小组利用金属Bi表面自还原方法制备了Bi沉积的BiOI （Bi/BiOI）复合材料，并成功构建了基于Bi/BiOI的PEC传感器（ 图10a–d） 200 。与BiOI/ITO 电极相比，Bi/BiOI/ITO电极表现出增强的PEC性能。这种改进可以归因于金属Bi的SPR效应，增强了光吸收并产生了大量的电子-空穴对，从而促进了有效的分离。然而，苯酚的引入阻碍了电子的转移，导致Bi/BiOI/ITO电极中的光电流减少。值得注意的是，我们的传感器表现出广泛的线性范围（4–2600ng∙mL−1），低检测限（1.3 ng∙mL−1），并且在检测苯酚时具有出色的抗干扰性。根据我们研究组构建的Bi/BiOCl 201和Bi/BiOBr 142 PEC传感器的分析结果，我们证实了金属Bi沉积策略增强了BiOX基PEC传感器的普适性，从而扩展了它们在环境分析中的适用性。另一个值得注意的进展来自Liu等人，他们报道了一种使用氮功能化石墨烯量子点制备的3DBiOI （NFGQDs/3DBiOI） 空心微球（HHMs）的PEC氯氰菊酯传感器（图10e） 57。该传感器的原理涉及在电极表面形成Bi-氯氰菊酯复合物，这会阻碍电子转移并导致光电流线性降低，从而成功检测氯氰菊酯。该传感器利用了3D中空纳米结构的优势，显示出较宽的线性范围（0.1–50ng∙mL−1）和低检测限（0.03 ng∙mL−1）。类似的检测氯氰菊酯的传感器包括基于BiOCl/TiO2的PEC传感器202、N-GQDs修饰的I-BiOClZ-型异质结基PEC传感器203、BiOBr/N-GQDs基PEC传感器204和BiOCl纳米片修饰的TiO2基PEC传感器202。Wang等人构建了一种PEC Cu2+传感器，其中Z-型异质结BiOICdS作为光活性材料205。CdS表面的Cu2+可以与CdS结合形成CuxS，作为激子陷阱，导致电子空穴复合，降低了光电效率（图10f）。基于此，实现了对Cu2+的定量检测。此外，还有其他的信号关闭PEC传感器已经被报道（表2），实现了对分析物的有效检测178，206–218。

3.2 在PEC生物传感器中的应用

3.2.1 PEC适配体传感器

PEC适配体传感器由具有适配体作为识别元素的PEC传感器组成，可实现对分析物的高灵敏度和高选择性检测219–221。利用配体的系统进化指数富集（SELEX）技术设计和合成短的单链寡核苷酸序列（核糖核酸（RNA）或去氧核糖核酸（DNA））作为选择性识别和捕获目标物的适配体探针。适配体具有高特异性、低分子量、适用性广泛、稳定性高、易于合成和修饰等优点，并被认为是PEC传感器识别组分的理想选择222–226。

我们团队利用锰价态调控的MnO2/BiOCl（MnV-MnO2/BiOCl）异质结构建了一种PEC林可霉素（Lin）适配体传感器（图11a–f） 227。该异质结优化了光的利用并促进了光诱导载流子的快速分离和转移。在形成MnV-MnO2/BiOCl过程中引入不饱和的Mn3+，有助于与Mn4+进行氧化还原反应并产生电子/空穴捕获中心。此外，MnV-MnO2赋予的半金属特性提高了MnV-MnO2/BiOCl的PEC性能和电导率。这些效应的协同作用显著提高了光电转换效率。MnV-MnO2/BiOCl中空穴有效氧化了被适配体捕获的Lin分子，阻止了电子-空穴复合，从而增强了光电流。该传感器的线性范围为1.0 × 10−3至1.0 × 103 nmol·L−1，检测限为3.33 × 10−4 nmol·L−1。该研究突显了电子/空穴捕获中心和异质结构在协同增强BiOCl在PEC领域性能和应用范围方面的协同效益。我们的团队还构建了一种基于银纳米颗粒敏化的BiOI PEC适配体传感器，用于检测微量氯霉素（CAP） 228。该传感器表现出较宽的线性范围（1‒20000 pmol·L−1） 和较低的检测限（0.4pmol·L−1，信噪比（S/N） = 3）。具有类似传感机制的PEC适配体传感器包括TiO2/BiOI/BiOBr基链霉素适配体传感器229、Z型异质结CdTe-BiOBr基TC适配体传感器230、BiOI/TiO2基CAP适配体传感器231和3D自支撑AgI/Ag/BiOI Z-异质结基CAP适配体传感器232。此外，适配体也可以与不同的化学基团进行修饰，以便它们与底物结合233。例如，修饰有硫醇（―SH）基团的适配体可以通过Au―S键自组装并附着到Au电极上。我们的团队通过Au―S键将TC适配体锚定到AuNPs/BiOBr表面，并将其用于构建检测TC的PEC适配体传感器234。该传感器在TC存在的情况下显示出降低的光电流，这是由于适配体和TC形成的大分子引起的空间阻碍效应。此外，DNA适配体可以通过NG六边形单元与DNA核碱基之间的π–π堆积相互作用成功锚定到BiOBrNFs-NG表面，从而增强了适配体与电极表面之间的结合力226。阳极PEC适配体传感器比阴极PEC适配体传感器出现得更早然而，强氧化性的空穴与还原材料的反应往往会中断阳极PEC适配体传感器，从而限制了它们在样品检测中的实际应用。相比之下，阴极PEC适配体传感器对还原剂干扰具有出色的抵抗力，并且光阴极更加抗光腐蚀125。不幸的是，与阳极适配体传感器相比，阴极PEC适配体传感器的开发滞后。问题在于，大多数阴极PEC适配体传感器依赖溶解氧作为信号分子，或者在使用替代信号分子时容易受到大气氧的干扰，导致检测机制单一、性能脆弱/不可调整、仪器复杂和操作耗时235。Wang等人设计了一种新型的氧独立阴极PEC适配体传感器用于检测赭曲霉毒素A （OTA），该传感器具有稳定的性能、仪器简易、易于使用、敏感和快速的读数（图11g） 236。该传感器结合了K3[Fe（CN）6]，耦合了高选择性的适配体识别和由强酶外切酶催化的靶循环放大，可在有氧条件下显著增强花状BiOI微球的光电流。OTA诱导的双链DNA （dsDNA）解离和RecJf外切酶介导的单链DNA消化的协同作用增强了光电极上K3[Fe（CN）6]的光电流。这种协同作用有助于高灵敏度和高选择性的“信号开启”和“无标记”OTA检测。重要的是，这种方法可以作为各种阴极PEC适配体传感器的通用策略。另外， 基于ITO/BiOI/hemin-DNA1/AuNPs-DNA2 和ITO/BiOI/ferrocene（Fc）-DNA3/AuNPs-DNA4构建了一种创新的阴极双信号放大PEC适配体传感器，用于灵敏测定凝血酶和Pb2+ （图11h） 237。Hemin-DNA1和Fc有助于增强BiOI纳米片的阴极光电流。通过DNA杂交引入AuNPs后，由于AuNPs的双熄灭效应和hemine或Fc与电极表面之间距离的增加，光电流信号显著下降。靶-适配体相互作用导致AuNPs的释放和氧化还原部分与电极表面之间的距离缩短，从而显著增强了光电流。因此，实现了一种双增强阴极PEC适配体传感。最佳条件下，凝血酶的检测限为17.3 fmol·L−1，Pb2+的检测限为3.16 pmol·L−1。比较这两种生物传感器，ITO/BiOI/hemin-DNA1/AuNPs-DNA2 系统相对于ITO/BiOI/Fc-DNA3/AuNPs-DNA4系统具有更高的信号变化。此外，还报道了其他阴极PEC拟合体传感器238，239。

3.2.2 PEC酶传感器

PEC酶传感器因其结构简单、成本低、使用方便、生物催化活性高以及酶的特异性而成为研究热点。在PEC酶传感器中，待测物质的特定浓度可以通过半导体物质的光电转换与酶催化反应之间的相互作用转化为电信号而被检测240。PEC酶传感器的主要过程如下：酶被修饰在光电极表面，待测物质经历催化氧化反应产生特定产物。光电极受到光的激发，产生电子和空穴，然后被分离和转移至光电极表面，与酶的催化产物发生氧化或还原反应，从而引起反应系统内的光电流变化。这一系列过程可以将待测物质的浓度转化为可见光电流响应信号，实现目标物质的定量分析241。组蛋白乙酰化是一种重要的转录后修饰，由组蛋白乙酰转移酶（HAT）利用乙酰辅酶A （Ac-CoA）作为乙酰供体进行催化。这一过程具有重要意义。Chen研究小组利用BiOI纳米花作为电极材料，Fe3O4-NH2和3-马来酰亚胺丙酸用于CoA固定化，并采用ZnO量子点作为光电流抑制剂，构建了一种间接检测HAT的PEC酶传感器（图12a，b） 242。在催化过程中，Ac-CoA的乙酰基转移至目标肽的赖氨酸残基，产生CoA作为副产物。由于存在巯基，CoA可以通过其结构中的巯基和磷酸基团被有效识别和捕获。因此，CoA被用作实现对HAT的间接检测的目标分子。在最佳实验条件下，光电流呈现出与HAT浓度线性降低，范围从0.01至500 nmol∙L−1，检测限达到3 pmol∙L−1 （S/N = 3）。这一策略不仅有助于HAT的检测，还在医学诊断和与抗生素相关的生态毒理学研究方面具有潜在应用。

酶催化沉淀被广泛用于在传感器表面生成不溶性产物，抑制PEC信号。然而，天然酶的失活、稳定性受限、工作和储存条件具有挑战性，阻碍了生物传感器的发展。逐渐有各种纳米酶（如Co3O4和Fe3O4）取代天然酶，其中CeO2因其显著的稳定性和生物相容性而备受关注。此外，Ce3+/Ce4+的耦合在氧化还原酶中具有类似金属中心的强氧化还原能力。Zheng等的研究团队报告了一种“开-关-开”PEC杀虫剂乙酰咪啉生物传感器。该生物传感器利用有机-无机异质结和纳米酶催化沉淀实现了信号放大的检测（ 图12c，d） 243。聚二苯丁烯（PDPB）纳米纤维生长在BiOBr花状微球上，形成PDPB-BiOBr纳米复合材料分散在壳聚糖水溶液中。这种异质结策略减轻了光诱导的载流子复合，从而增强了PEC信号。然后，在PDPB-BiOBr/ITO电极上引入戊二醛，通过戊二醛的酰胺键使具有乙酰咪啉烯丙酰胺适配体互补序列的NH2-DNA1与PDPB-BiOBr/ITO电极结合。巯基-1-己醇可以阻止非特异性位点，使乙酰咪啉适配体和DNA1杂交形成适配体-DNA1-PDPB-BiOBr/ITO。AuNP-连接的CeO2 （CeO2-Au）八面体与SH-DNA2结合，由于互补碱基配对，它与适配体之间的相互作用较弱，这导致形成CeO2-Au-DNA2-适配体-DNA1-PDPBBiOBr/ITO。在没有乙酰咪啉的情况下，CeO2-Au纳米酶催化4-氯-1-萘酚（4-CN）转化为不溶性的苯并-4-氯己二酮（4-CD）在修饰电极上沉淀。这个过程是由H2O2的存在促成的，导致光电流信号的熄灭。由于乙酰咪啉与其适配体的相互作用更强，DNA2从组装中被排斥出来，导致CeO2-Au从电极上释放。这种释放减少了熄灭效应，从而恢复了光电流信号。因此，测量信号发生了可检测变化，确保传感器的超灵敏检测。该传感器的检测限为0.05pmol·L−1，线性范围为0.1 pmol·L−1至10 μmol·L−1。

由于电子在生物体内不与还原物质（抗坏血酸（AA）、谷胱甘肽、多巴胺和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）发生反应，光阴极型光电化学（PEC）酶传感器具有良好的抗干扰能力，可有效避免易被氧化的生物体的干扰，使其更适合于复杂生物样品的检测。目前，光阴极型PEC酶传感器已成为传感器发展的新趋势。但在实际应用之前，仍存在一些需要解决的问题。首先，酶催化反应使用溶液中的溶解氧作为电子受体。然而，溶液中的溶解氧浓度低且易波动，这限制并影响了氧化酶的催化性能，从而影响了酶传感检测的线性范围和准确性。其次，当通过光化学还原检测H2O2时，氧气也将在相同电位下被还原224。氧气浓度的波动影响光阴极型PEC酶传感器的响应性能，从而导致光化学还原检测的准确性较差。

3.2.3 PEC免疫传感器

PEC免疫传感器是将光化学与免疫反应相结合的生物分析平台144。免疫传感器的基本原理是免疫识别元素通过免疫反应产生化学信号，传感元件将化学信号转化为相应的PEC信号，实现对目标分析物的定量分析244。由于识别信号来自抗原/抗体免疫反应，PEC免疫传感器的选择性和特异性比其他生物传感器更高。PEC免疫传感器通常只有两种模式，一种是无标记免疫分析，另一种是标记免疫分析。无标记免疫传感器直接利用抗原-抗体复合物的空间位阻致使PEC信号降低来实现目标的检测245。这种无标记传感器具有经济实惠、操作简单和响应时间快的优点。例如，Sun等的研究团队设计了一种用于检测奶制品中过敏原β-乳球蛋白（β-LG）的无标记PEC免疫传感器246。将Ag2S敏化的纺锤形BiVO4/BiOBr异质结锚定在ITO电极上，增强了光电流响应和灵敏度。通过使用硫代乙酸（TGA）作为连接剂将β-LG抗体固定在电极表面， 开发的PEC免疫传感器呈现出10pg∙mL−1至100 ng∙mL−1的线性响应范围和较低的检测限为3.7 pg∙mL−1。Wang等的研究团队设计了一种无标记、超灵敏和特异性的PEC免疫传感器，用于检测癌胚抗原（CEA） （图13a） 247。利用AA作为电子供体引发了光电流密度的显著变化。将柱[5]芳烃（pillar[5]arene，WP5）功能化的金纳米颗粒与聚苯胺（PANI）-BiOBr 异质结（Au@WP5/PANIBiOBr）集成，为CEA传感提供了优越的PEC信号。金纳米颗粒中的SPR与WP5和AA之间的宿主-客体复合物的结合增强了光电流信号。此外，BiOBr上的光生空穴加速了AA的氧化，而空心PANI管内的高效电子传输有助于增强光电流。将CEA抗体固定在表面并用牛血清蛋白阻塞残留的Au@WP5/PANI-BiOBr电极位点后，在AA溶液存在的情况下，光电流密度显著减小。在最佳条件下，PEC免疫传感器对CEA显示出0.01至50 ng∙mL−1的线性范围和3 pg∙mL−1的检测限。然而，由于其分析物容量有限，无法实现有效的信号放大，导致检测范围狭窄和灵敏度低的缺点144，248，249。为解决这些限制，开展了非标记PEC免疫传感器的研究工作，重点是探索新型PEC材料并扩展检测目标范围。增强电极基材料的性能对于实现高光电转换效率，以至于扩展非标记PEC免疫传感器的分析能力至关重要。

标记的PEC免疫传感器利用引入标记物质来放大检测信号，提高了其灵敏度和准确性250。Zhang等开发了一种利用BiOI/Bi2S3/Ag2S的夹心结构的标记PEC免疫传感器，用于定量检测血清中的细胞角蛋白-19片段（CYFRA21-1） （图13b，c） 251。窄带隙Bi2S3的引入显著增强了BiOI/Bi2S3异质结的光吸收。此外，BiOI、Bi2S3和Ag2S匹配的能带结构有利于快速电子转移，进一步增强了PEC信号。硫氮共掺杂的碳量子点（S，N-CQDs）具有上转换发光性能，为底物提供更多的光能。当与Ab2通过多多巴胺（PDA）作为二级抗体标记结合时，S，NCQDs显著增强了传感器的灵敏度。该系统显示了0.001到100 ng∙mL−1的线性检测范围和较低的检测限1.72 pg∙mL−1。除了直接引入带标记的材料外，光活性材料还可以通过原位法生成敏化结构252。其与底物材料能带匹配，提高电荷载流子分离效率，实现“信号开启”型信号输出。Feng等利用Bi2S3/BiOI/ZnO纳米阵列和Ag2S修饰的适配体探针DNA （pDNA@Ag2S）作为竞争元素，构建了一种用于微流体中快速敏感检测OTA的信号放大竞争PEC系统253。通过将Bi2S3/BiOI/ZnO修饰到ITO电极上，获得了强光电流，这归功于它们匹配良好的级联边缘能级，使光生电子-空穴对有效分离。该方法涉及如下步骤：首先，使用壳聚糖和戊二醛将捕获的DNA （cDNA）吸附到检测平台上。然后，pDNA硫醇修饰的寡核苷酸直接与AgNO3结合形成Ag―S键，形成pDNA@Ag2S作为受体，与cDNA杂交形成DNA双链。光电流强度显著降低，因为一些光生电子被转化为Ag2S 电极， 而不是Bi2S3/BiOI/ZnO电极。随后，当OTA与pDNA@Ag2S结合并形成释放于电极表面的特异性复合物后，光电流强度显著增加。在优化条件下，制备的PEC微流控传感器表现出线性检测范围为0.01 pg∙mL−1至200 ng∙mL−1，检测限为0.0035 pg∙mL−1 （S/N = 3）。

目前，大多数PEC免疫传感器属于光阳极基传感器。在这种配置中，电子是主要的载流子。当暴露在光下时，电子从光活性材料的CB流向光电极，在VB中产生空穴。然后，这些空穴被来自电子供体的电子消耗。然而，基于光阳极的免疫传感器存在容易受到干扰的缺点254。在检测真实样品时，样品中的还原物质可以吸附到电极表面，并与电解液中的电子供体竞争光生空穴。这可能导致人为提高光电流测量值37。这些限制可以通过开发基于光阴极的PEC免疫传感器来解决255。在这些传感器中，CB中的电子被电解液中的电子受体吸引。随后，电极上的电子捕获光生空穴，产生阴极光电流。由于基于光阴极的PEC免疫传感器需要电子受体而不是电子供体，所以实际样品中还原分子的存在不会干扰还原反应。这导致了更准确的光电流测量。然而，在系统中缺乏电子给体导致光电流响应较弱。通过将光阳极和光阴极方法的优势结合起来，开发了一种集成设计的PEC免疫传感器，具有高灵敏度和强抗干扰能力。Wang等人利用ITO/BiVO4/BiOI/Ag2S作为光阳极，ITO/CuInS2作为光阴极构建了一种用于检测神经特异性烯醇酶（NSE）的PEC免疫传感器（图13d–f） 256。ITO/CuInS2电极用于固定生物分子，解决了单一光阳极设计中的抗干扰挑战。NSE抗原（Ag）与NSE抗体（Ab）之间的特异免疫反应导致光电流的变化。在最佳条件下，PEC免疫传感器在NSE浓度范围为5 pg∙mL−1至200 ng∙mL−1内呈现出良好的线性关系，检测限为1.2 pg∙mL−1。这种发展的PEC免疫传感器具有两个显著优势。首先，PEC免疫传感器建立在光阴极上，通过分离光捕获和生物分子识别过程，提高了其抗干扰能力。其次，引入了光阳极，增强了对目标抗原的光电流响应，降低了检测限，从而扩大了检测其他分子的潜在应用范围。

当生物分子固定在光电活性物质表面时，会出现更多的非特异性吸附和非特异性氧化/还原干扰。未来PEC免疫传感器的发展趋势是开发新的固定方法，以增加免疫分子的有效载荷能力，并提高传感器的生物相容性和灵敏度。

3.3 在光电催化降解中的应用

光电催化降解涉及在光和电的条件下，光生电子从阳极通过外部电路转移到阴极，导致电流密度增加。在光阳极表面产生的羟基自由基（·OH）直接与有机物发生反应，或生成的O−2分解和矿化水中的有机污染物257。光电催化降解具有如下优点：（1）将催化剂固定在电极上有助于解决光生电子和空穴的高复合速率，以及光催化过程中颗粒状催化剂的分离困难等挑战。（2）只需比催化剂的平带电位稍高的施加偏压即可实现光生载流子的分离，与电化学方法相比，能耗较低。（3）光催化剂激活了光阳极，确保电极保持良好的催化活性，并防止由于存在电化学生成的聚合物而导致电极“钝化”258。然而，光电催化降解在对难降解污染物的去除效率和降解时间上存在不足。设计具有宽泛可见光响应、优异导电性和大表面积的高性能催化材料对于光电催化降解技术至关重要。近年来，对BiOX基电极在光电催化中的研究和应用已经取得了可喜的进展（见表3） 257，259–286。

Ma研究小组开发了由BiOBr修饰的TiO2纳米管阵列（BiOBr/TNAs）构成的光电极，用于光电催化降解对氯硝基苯（p-CNB） （见图14a，b） 271。降解机制涉及光激发电子从TiO2的CB转移到BiOBr的CB， 而空穴从BiOBr的VB移动到TiO2的VB。BiOBr与TiO2之间形成的界面异质结构充当桥梁，有助于有效的电荷分离。在施加电压的驱动下，电子随后转移到对电极，与O2反应生成·O2−自由基。与此同时，TNAs VB上的带正电的h+与H2O和OH−反应产生·OH自由基，其氧化还原电位比·OH/H2O（2.68 eV）和·OH/OH− （1.99 eV）自由基对更高。这个过程导致p-CNB在·OH和h+的影响下被降解成CO2，H2O和无机离子。先前已报道过类似的空穴氧化机制287。

另一方面，Wang等合成了Bi0修饰的Bi2O3（Bi/BiOI-Bi2O3）复合薄膜（见图14c，d） 288。引入的Bi0纳米颗粒来自于Bi/BiOI-Bi2O3中积累的CB电子对晶格Bi3+的部分还原。这种Bi0的添加增强了电荷密度和光电流转换效率（IPCE），同时降低了材料的电荷转移阻力和复合速率。在相对于Ag/AgCl的0.1 V电位下，优化的Bi/BiOI-Bi2O3光电流密度比BiOI-Bi2O3高出2.0倍。基于此，通过将Bi/BiOI-Bi2O3薄膜作为光阳极，将Ti膜作为阴极，在单个反应器中实现了对苯酚和Cr（VI）的光电催化降解。这项研究提出了一种利用Bi和BiOI-Bi2O3异质结的协同表面等离子共振效应的新方法，实现了混合废水的有效光催化降解处理。目前报道的光阳极面积较小，循环稳定性不高。在实际应用中，光阳极需要具有更大的规模和一定程度的可重复使用性。因此，有必要进一步探索制备具有更大面积的光阳极的方法，并找到增强光阳极稳定性的策略。

3.4 在PEC水裂解中的应用

图15a展示了PEC水分解的基本示意图。与半导体带隙能量（Eg）相等或更高的光子能量的太阳光与光电极表面相互作用，在光激发半导体材料内产生了光生载流子。在IEF的驱动下，这些光生电荷将分离并迁移，电子将移向光阴极，而空穴将移向光阳极表面。最终，位于光阴极中的光生电子与水发生还原反应释放H2，而位于光阳极中的空穴与水发生氧化反应释放O2。每个步骤的反应方程如图15a所示。如果系统要实现利用太阳能分解水而无需施加电压，则p型半导体光阴极的CB底部应比电解液中的H+/H2电位更负，而n型半导体光阳极的VB顶部应比O2/H2O电位更正。氧化还原位点的物理分离使PEC电池与半导体粉末光催化水分解相比更加高效、实用和安全，因此，PEC水分解技术一直是H2生产的热门话题。

如图15b–d所示，目前，PEC电池的水分解主要以以下三种方式进行。图15b基于n型半导体光阳极，通过组装三电极系统完全分解水。当光阳极吸收高于能隙Eg的光子能量时，会产生载流子。CB上的电子通过外部电路转移到对电极表面（铂片或碳棒），以将水还原为H2；与此同时，VB空穴迁移到工作电极表面，将水氧化为O2。由于PEC反应的过电位，即使n型半导体具有适合分解水的能带位置，也需要外部电源提供的偏置电压或两电极之间的溶液pH差异（化学偏置）来促进有效的电荷分离289。如图15c所示，当使用p型光阴极组装三电极系统时，两个电极的反应相反。H2从工作电极表面的水还原释放出来，而O2则从对电极的水氧化释放出来。用作光阴极的p型半导体需要满足其CB比H+的还原电位更负的条件，并在两个电极之间施加一定的偏置电压以促进进一步的载流子分离。不幸的是，图15b，c中的系统需要外部偏置电压才能有效地将电子与空穴分离并参与反应，这意味着能源消耗，并且无法准确地代表从太阳能到H2能量的转化过程290。从节能的角度来看，施加电压是不经济和不可取的291。使用p型半导体光阴极在氧释放的电位（1.23 V vs. RHE （相对氢电极））上获得负电流是非常困难的。这是因为目前大多数可用的p型半导体的VB顶部比该电位更负。因此，对电极的电位不足以促使氧发生析出反应（OER）。为了仅利用太阳能分解水，需要将匹配的n型光阳极和p型光阴极组合在一起。如果光阳极和光阴极的光电流达到一定的平衡，那么两电极系统就可以在没有偏置电压的情况下实现水分解。这在图15d中得到了体现，其中一个p型和一个n型光阳极通过导线串联形成一个无辅助PEC电池。该系统具有以下优点：光阴极和光阳极可以同时受到光的激发，从而实现了自发的氢析出反应（HER）和OER反应，最大程度地降低了能带势的基本要求；每种半导体只需要提供一半的反应，使得两种半导体都可以具有较小的带隙，从而增强其可见光吸收能力；最吸引人的是，光电压仅由在半导体/电解质界面被光激发的光阳极和光阴极提供，不需要额外的电能来完成水分解292。光电极材料是吸收太阳能以产生电子和空穴用于HER和OER反应的关键。因此，作为构建PEC电池的基础，光电极材料的选择直接影响系统的整体性能。满足PEC水分解的光电极材料首先必须具有适当的能隙以有效吸收光。此外，它需要具有较正的能带位置以促进水反应的分解。考虑到载流子传输（0.3–0.4 eV）和表面过电位（0.4–0.6 eV）期间的能量损失，需要最低1.8 eV的带隙，这对应于约700 nm的吸收边缘293。带隙的上限为3.2 eV，因为根据太阳光谱，太阳光在390 nm以下的强度迅速下降。因此，带隙在1.8到3.2 eV范围内的光电极材料被认为是合适的294。理论上具有可见光响应的半导体具有更高的光电转换效率，因此利用可见光响应的最佳带隙被认为是2.0 eV。除了需要适当的带隙之外，半导体电极材料还需要高效的载流子分离和传输能力。这不仅取决于材料的固有特性（载流子迁移率），还取决于材料的外部特性，如晶型和纳米结构。在选择电极材料时，所有这些因素都需要考虑在内295。此外，所选光电极材料的光化学稳定性是评估PEC性能的关键因素之一296。其中，由于光腐蚀引起的电极失活是许多半导体电极面临的一个具有挑战性的问题，特别是当硫化物半导体用作光阳极。因为电极的实际分解电位取决于溶液的pH值，一些氧化物半导体也可能由于电解液的pH而经历光腐蚀297。最后，光电极材料应由低成本、地球丰富的元素组成，这对PEC水分解的工业化至关重要。已经有许多基于BiOX的光电极材料用于PEC水分解。

You研究团队成功制备了由Bi2WO6/BiOBr异质结构成的纳米板阵列，展现出高效的压电增强型PEC水分解性能（图15e） 298。这归因于异质结的形成建立了电荷传输途径，加速了光生电荷的空间分离。Bi2WO6/BiOBr在1.23 V vs. RHE下的电流密度为0.068 mA∙cm−2，比Bi2WO6高出1.8倍。此外，通过压电极化和异质结的联合作用进一步放大了Bi2WO6/BiOBr光阳极的载流子分离效率。因此，在1.23 V vs. RHE条件下，Bi2WO6/BiOBr光阳极的光电流上升至0.088 mA∙cm−2。其机理为超声振动下压电极极化的Bi2WO6/BiOBr中能带弯曲和电荷转移过程。这项研究提供了一种将异质结与压电极化结合以提高载流子分离效率的新方法。此外，图15f 展示了掺杂Nd 的g-C3N4 和Nd 掺杂g-C3N4/BiOI异质结的水分解机制299。在未掺杂的g-C3N4中通常观察到的电子和空穴的高复合速率会降低PEC活性。然而，通过在g-C3N4中引入未填满的Nd3+离子的4f能级作为掺杂剂，光生电子可以被捕获，从而抑制复合并提高量子效率。在水分解应用方面，活性材料的带隙应大于1.23 eV。在这种情况下，Nd掺杂g-C3N4的带隙和边缘位置与水分解过程的基本要求相吻合。异质结（Nd-g-C3N4/BiOI）的整合有助于减轻电荷复合。BiOI具有弱的n型特性，其费米能级略低于g-C3N4。因此，在形成异质结后，电子从Nd掺杂g-C3N4/BiOI CB流向BiOI CB。这促进了光生电子从BiOI转移到Nd掺杂g-C3N4以将H+还原为H2，而空穴（BiOI的VB）参与水和/或OH−氧化。异质结的形成降低了电子密度损失，改善了电子和空穴的转移，从而使H+在水溶液中转化为H2。通过建立介孔Nd-g-C3N4和BiOI异质结，创造了具有广泛接触表面的纳米界面，优化了光生载流子的分离，从而增加了能够参与还原反应产生H2的活性位点数量。总之，Nd-g-C3N4/BiOI异质结能有效地利用太阳能，在其VB和CB中产生更多的光生载流子，从而提高PEC水分解活性。

3.5 在PEC N2还原中的应用

众所周知，PEC N2还原的效率主要取决于光电催化剂和所衍生的能量。在一定的太阳光强度条件下，半导体基体可能成为限制因素，抑制了N2还原效率的进一步提高。PEC N2还原反应器的设置通常采用三电极系统。催化剂所在的电极充当工作电极，N2还原反应主要发生在此处。一般情况下，铂板充当阳极，驱动主要的氧还原反应。为了防止NH3进一步氧化，将一层聚合物膜（Nafion膜）置于光阴极和阳极之间，仅允许离子的选择性通过。

PEC N2还原由太阳能和电化学过程组成，这扩大了能量转化因素的范围，包括半导体基底和外部电压，有助于实现N2还原。对于PEC N2还原，光电极材料涉及整个器件对光的利用，以及外部电压，因此合适的光电极材料至关重要。N2还原需要消耗电子，光阴极也是电子给体300。此外，N2化学吸附的活性位点，尤其是OVs，可以作为将光生电子转移到N2分子的桥梁，也为N2固定提供了一个可行的动力学通道。Bai等人报道了经过OVs工程改性的BiOI （R-BiOI）光阴极用于PEC N2还原（见图16） 301。机理涉及在电路偏压的影响下，将光生电子从BiVO4转移到R-BiOI的CB。随后，在照射下，OVs积极地捕获R-BiOI CB中的光激发电子，有效地抑制了光生载流子的复合。这些OVs作为桥上的活性中心，促进了电子和质子向吸附的N2分子的转移。电子被注入到反键轨道中，从而削弱N＝N键。这个复杂的过程最终导致了N2在PEC系统内转化为NH3。

3.6 在光电催化CO2还原方面的应用

在光电催化CO2还原过程中，施加的电压可以促进光电荷的定向传输。此外，作为外部能源的光可以弥补电催化过程中过度能量消耗的不足。这显示了在CO2转化中的应用潜力。设计和合成高活性的催化剂对于提升光电催化还原中CO2的选择性转化至关重要。使用的催化剂应具备以下特点：（a）优异的光电转换效率。材料的光电转换效率主要取决于两个方面：首先，广泛的光吸收响应增强了对太阳能的利用。其次，它具有快速的光生载流子转移和分离能力，确保光生载流子能够有效迁移到活性位点，并有效地参与CO2的光催化还原。（b）能带位置符合CO2还原所需的电势要求。只有当光电材料的CB与相应产物的还原电位相匹配时，才能实现光电催化CO2的高选择性还原目标产物。（c）结构和表面上有足够的活性位点吸附和活化在电极表面的CO2及其中间体。目前，基于BiOX的光电催化CO2还原工作报道较少。

Wang等人在FTO表面原位生长了Bi2WO6/BiOCl异质结，并将其用作光电催化还原CO2的光阴极，构建了Bi2WO6/BiOCl|KHCO3|BiVO4双电极系统，并通过硅太阳能电池提供的最小外部电压进行CO2还原（图17a） 128。该系统在−1.0 V的施加电压下，乙醇生成速率为11.4 μmol∙L−1∙h−1∙cm−2，选择性达到了80.0%。表观量子效率达到了0.63%。提出了一个合理的机制来阐明光电催化CO2还原为化学燃料的过程。Bi2WO6的基态电子在光的作用下转变为激发态。由此产生的光电子通过异质结转移到BiOCl的CB。然后，这些光电子与质子反应产生活性氢原子，能够立即将CO2还原为烃。与此同时，羟基迁移到BiVO4的光阳极处，氧化成O2。这归因于异质结内电荷分离效率的提高。此外，Liu研究小组引入了一种以BiOBr为光阳极，CuO为光阴极的新型系统，实现了光电催化TC的氧化与CO2还原的耦合，生成CH3OH和CH3CH2OH等有价值的化学品（图17b） 302。初始总电流电位约为−0.6 V （vs.AgCl/Ag），在−0.7 V的偏压电位下，CH3OH和C2H5OH的最佳产量达到了125.9和26.5 μmol∙L−1。该研究提出了一个催化机制来解释光电催化氧化和还原的协同效应，以及光化学（PC）和电化学（EC）反应的结合。在这个机制中，TC通过阳极的直接空穴氧化和电氧化而被降解。与此同时，BiOBr电极发生水氧化，产生H+和O2。生成的H+通过Nafion从阳极引导到阴极区域，而e−则沿着电位稳定器驱动的路径流向阴极区域。最终，CO2被吸附到CuO电极上，并通过与H+反应进行电子转移，形成CH3OH和C2H5OH。该研究实现了在单个反应容器中将有机污染物转化为液体燃料，并提出了光电催化氧化和还原的耦合的新概念。

3.7 在光催化燃料电池方面的应用

光催化燃料电池（PFCS）由光阳极、阴极和电解质组成，其“燃料”为有机污染物溶液303。阳极通常配备有具有光催化活性的半导体材料，而阴极通常选择铂片或具有不同活性和功能的电催化材料或光催化材料304。与传统燃料电池连接方式相同，PFCS是由连接阳极和阴极的导电系统形成的闭路光电系统305。在PFCS系统中，具有光催化活性的阳极半导体光催化材料起主要作用。当暴露于光辐射下时，阳极的半导体光催化材料被激发产生电子-空穴对306。在导电系统的作用下，这些电子通过外部电路穿过导电系统到达阴极。随后，在水中涉及燃料物质的还原反应或在好氧条件下与氧气反应产生水307。此时，留在阳极半导体光催化材料中的空穴将氧化和降解水中的有机污染物作为燃料底物。这是将污水处理转化为废资源再利用的过程308。在这个过程中，污染物被去除，化学能直接转化为电能，实现了“废为宝”的目标。在PFCS反应运行过程中，电子将在阳极和阴极之间持续流动，导致连续输出电力，履行电池的基本作用。PFCS阳极和阴极表面发生的反应可以简单总结为：

一些基于BiOX的PEC材料已被用于制备PFC器件。Wang 等人构建了一个PFC设备， 其中BiOCl/FTO作为光诱导氧还原的光阴极，糠醛作为直接燃料（图18a） 309。具体的设备示意图和机制描述如下：因石英玻璃具有吸收光线的特性，选用石英玻璃作为容器。在电极单元之间放置了质子交换膜，以促进氢离子从阳极传输到阴极区域，从而减小液体结合电位。O2以最佳流速引入阴极溶液，以确保充足的反应物供应。理论计算表明，糠醛的氧化电位与氧气的还原电位之间的差异代表了燃料电池的电动势。在光的作用下，BiOCl的空穴准费米能级（EFP）有效地决定了阴极的电位。由于EFP低于标准氧还原电位，因此可以实现更高的电动势。这意味着太阳能可以催化燃料电池中的糠醛反应。对于实际应用，需要解决两个问题：（1）昂贵的铂阳极，阻碍了其广泛使用，以及（2）低光利用效率。Du等人构建了一个太阳能驱动的PFC，通过将TiO2纳米颗粒作为光阳极和氮掺杂石墨烯-BiOBr （NG-BiOBr）光阴极，用于自供电的微囊藻毒素（MC）-LR传感器，可以同时生成可再生能源和监测MC-LR污染（图18b） 310。当暴露于光照下，两种光电极被激发均会产生电子-空穴对。由于固有电位差异，TiO2光阳极产生的光电子会通过外部电路自发迁移到NG-BiOBr光阴极，生成电能。这种n型光阳极和p型光阴极的组合至关重要。在这个过程中，光阳极的空穴和光阴极的电子参与MC-LR的氧化，防止了空穴和电子的复合。随着MC-LR浓度的增加，最大功率密度增加，进一步增强了氧化反应。这种设置有效地利用了能量产生和MC-LR传感。该方法具有以下优点，包括无需外部电源供应、简单易行、经济实惠和易扩展。在光电催化系统中，选择应用电场以协作，会产生一定的能耗。我们应进一步增强绿色环保意识，并设计微生物燃料电池-光催化耦合系统或光燃料电池系统，实现节能高效降解污染物，具有更多的实际应用价值。

4 总结与展望

总之，本综述全面回顾了基于BiOX的光活性材料在PEC领域中的最新进展，包括PEC传感器、PEC生物传感器、光电催化降解、PEC水分解、PECN2还原、光电催化CO2还原和PFCs的性能优化策略。尽管研究人员通过上述策略优化了基于BiOX的光活性材料，并赋予它们增强的PEC性能，但对BiOX的研究仍处于早期阶段，未来仍有待探索。例如，目前还很少有基于BiOX的材料用于光电催化CO2还原和N2固定。

BiOX基材料的PEC应用拓展与光电极材料的改性密切相关。尝试在BiOX基光电极表面修改电子传输层（如TiO2、ZnO、WO3、富勒烯及其衍生物等） 和空穴传输层（ 如CuSCN 、CuI 、NiO 、PEDOT：PSS等），可以促进光生载流子的快速传输和分离，从而提高PEC性能。环境中存在许多种污染物，它们相互共存。尝试利用BiOX基材料作为光电极建立多通道传感平台，并同时检测多种有机污染物。尽管过去十年在该领域的研究取得了重要进展，但光到氢的转换效率仍然不理想（单电极效率约为～4%），无法满足商业要求（～10%稳定效率）。为了克服这一挑战，致力于提高BiOX基光电极的电荷注入和光利用效率是关键。此外，虽然在开发传感器并将其用于实时分析方面取得了一些进展，但BiOX基光电极系统仍处于构建迷你化设备的过程中，未来仍有许多待发现的地方。BiOX集成电极将被优化，以帮助开发新的“智能传感器”用于即时患者诊断和环境监测。比如监测疾病进展的汗液传感器和糖尿病患者的血糖传感器，主要提供实时样本。与此同时，太阳能电池和PEC水分解系统之间的协同作用具有潜力。利用高效太阳能电池建立强大的PEC系统进行水分解和氢生产，可以产生变革性的被动能源转换系统。即钙钛矿太阳能电池被用作外部偏置供应源，上述集成光阳极和光阴极被用作PEC分解水系统，两者结合构建了一个被动系统，将太阳能转化为氢能。尽管存在挑战，但BiOX基PEC材料的未来发展前景广阔。随着这些障碍的克服，人们坚信这些材料将在PEC领域有更广泛的应用，从而带来具有变革性意义的重大进步。