设计了一种双功能Z型结构的Cu2O@CuWO4异质结薄膜，用于光电化学降解和超灵敏检测氧四环素

《Microchemical Journal》：Designed of bifunctional Z-scheme Cu 2O@CuWO 4 heterojunctions film for photoelectrochemical degradation and ultrasensitive detection of oxytetracycline

氧四环素传感与催化降解双功能Z型异质结电极设计、性能及机制研究

　　本文介绍了一种新型的双功能光电化学（PEC）平台，该平台基于设计和制备的Cu?O@CuWO?/FTO异质结集成电极，实现了对氧四环素（OTC）的高灵敏度检测和高效降解。研究的主要目标是通过优化电极结构和材料特性，提高检测与降解的综合性能，同时确保电极的稳定性与实用性。该研究在环境监测和污染治理方面具有重要的应用价值。

### 氧四环素（OTC）的背景与挑战

氧四环素是一种广泛使用的四环素类抗生素，其在临床治疗和畜牧业中的应用十分普遍。OTC因其成本效益和广谱抗菌特性而被大量使用，但其在环境中的广泛存在也带来了严重的生态风险。由于人体对OTC的吸收率较低，大部分药物通过粪便或尿液排出体外，最终进入地表水、地下水和土壤中。随着OTC在水体中的积累，其对水生生态系统和人类健康的潜在危害日益凸显。世界卫生组织（WHO）已经对OTC的每日可接受摄入量（ADI）和最大残留限量（MRL）进行了明确规定，表明其对环境和人体健康的威胁不容忽视。

在生态环境中，即使极低浓度的OTC也会对生物体产生不可逆的影响，这使得对OTC的快速、高灵敏度和高选择性的检测变得尤为重要。同时，针对高浓度OTC废水的高效降解技术也亟需发展。传统的检测和降解方法通常需要不同的设备和操作流程，这不仅增加了成本，也降低了整体效率。因此，构建一种能够同时实现检测与降解的双功能平台成为研究的热点。

### 光电化学（PEC）技术的优势

光电化学技术作为一种绿色、可持续的分析和处理方法，近年来受到了广泛关注。PEC技术利用光能驱动电化学反应，不仅能够实现对污染物的高效降解，还能够用于痕量污染物的检测。其核心优势在于能够将光能转化为电能，从而在降低能耗的同时提高反应效率。此外，PEC技术的集成性使其能够在一个系统中同时完成检测和降解任务，从而提高整体的效率和实用性。

在OTC的检测方面，PEC技术表现出优异的性能。其通过光诱导的电化学反应，可以实现对OTC的高灵敏度检测。在降解方面，PEC技术通过光催化反应，能够有效分解OTC，将其转化为低毒性的中间产物，从而减少其对环境的污染。因此，开发一种能够同时实现检测与降解的双功能PEC平台，对于提升环境治理效率和降低污染风险具有重要意义。

### Cu?O@CuWO?/FTO异质结集成电极的设计与制备

为了实现OTC的双功能检测与降解，研究人员设计并制备了一种Cu?O@CuWO?/FTO异质结集成电极。该电极的制备过程包括以下几个关键步骤：首先，在FTO（掺氟氧化锡）基底上通过电沉积方法形成WO?种子层；随后，通过水热法将WO?种子层转化为CuWO?；最后，将Cu?O纳米立方体锚定在CuWO?/FTO表面，形成最终的Cu?O@CuWO?/FTO异质结集成电极。

这一设计充分利用了Cu?O和CuWO?之间的能带匹配特性，使得两种材料能够协同作用，提高光能的利用效率。同时，通过在FTO基底上构建异质结，电极的稳定性得到了显著提升。FTO作为导电基底，能够有效传递电子，为光诱导的电化学反应提供良好的支撑。

在制备过程中，研究人员特别关注了电极的结构和表面特性。通过电沉积和水热法，成功地在FTO表面形成了均匀的WO?种子层，这为后续的CuWO?和Cu?O的生长提供了良好的基础。最终形成的Cu?O@CuWO?/FTO电极不仅具有良好的光响应能力，还表现出优异的导电性和稳定性，为双功能PEC平台的构建奠定了基础。

### 异质结的协同效应与性能提升

Cu?O@CuWO?/FTO异质结的协同效应主要体现在以下几个方面：首先，Z-方案异质结结构能够有效促进光生载流子的分离和传输，减少电子-空穴对的复合，从而提高电极的光电响应效率。其次，该异质结结构能够降低界面能量障碍，使得光生电子和空穴在界面处更高效地转移，从而提升电极的催化活性。此外，CuWO?的窄带隙特性使其能够吸收更宽范围的可见光，而Cu?O的宽禁带则能够提供较高的电荷分离效率，两者结合使得电极在可见光照射下表现出更强的光响应能力。

在检测模式下，Cu?O@CuWO?/FTO电极表现出优异的检测性能。其对OTC的检测限（S/N=3）为50 ng/L，线性范围覆盖100 ng/L至500 μg/L，显示出良好的灵敏度和选择性。在催化模式下，该电极能够在3.5小时内实现81.90%的OTC去除率，相较于单纯的电催化和光催化方法，其去除效率分别提高了1.51倍和1.13倍，显示出显著的协同效应。

### 电极的稳定性与实用性

为了确保电极的长期稳定性和实用性，研究人员在制备过程中采用了多种优化策略。首先，通过合理设计异质结结构，电极的界面接触得到了优化，从而减少了界面处的电荷转移阻力，提高了电极的导电性和稳定性。其次，通过选择合适的材料组合，如CuWO?和Cu?O，电极在可见光照射下表现出良好的光响应能力和长寿命特性。此外，研究人员还通过实验验证了电极在实际应用中的性能，包括对OTC的检测和降解能力，以及其在复杂环境中的抗干扰能力。

在实验中，研究人员使用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）对OTC的降解产物进行了分析，发现其被矿化为低毒性的化合物，表明该电极在降解过程中能够有效减少污染物的毒性。同时，通过豆芽培养实验，研究人员进一步验证了降解产物对植物生长的影响，结果显示降解后的产物对豆芽的生长无明显抑制作用，表明其在实际应用中具有良好的安全性。

### 双功能PEC平台的应用前景

Cu?O@CuWO?/FTO异质结集成电极的双功能特性使其在环境监测和污染治理方面具有广阔的应用前景。首先，该电极能够用于痕量OTC的检测，适用于水质监测、食品加工过程中的污染物控制等场景。其次，其高效的降解能力使其能够用于处理高浓度OTC废水，为工业废水处理提供了一种新的解决方案。此外，该电极的稳定性与抗干扰能力也为其在实际环境中的应用提供了保障。

在实际应用中，该电极可以通过简单的可见光照射实现对OTC的检测和降解，无需复杂的仪器和操作流程，从而降低了使用成本和时间。同时，由于其基于FTO基底，电极具有良好的导电性和机械稳定性，适用于多种环境条件。此外，该电极的制备过程相对简单，便于大规模生产和应用。

### 研究的创新点与未来展望

本研究的创新点在于成功构建了一种双功能PEC平台，该平台不仅能够实现对OTC的高灵敏度检测，还能够高效降解OTC。通过合理设计Z-方案异质结结构和集成电极策略，研究人员有效提升了电极的光电性能和稳定性，为环境监测和污染治理提供了新的思路。

未来的研究可以进一步优化电极的结构和材料组成，以提高其在不同环境条件下的适用性。此外，还可以探索该电极在其他污染物检测和降解中的应用，拓展其功能范围。同时，随着对环境治理需求的不断增加，开发更加高效、经济、环保的PEC技术将成为研究的重要方向。

总之，Cu?O@CuWO?/FTO异质结集成电极的构建为OTC的双功能检测与降解提供了一种新的解决方案，具有重要的理论和应用价值。该研究不仅推动了PEC技术的发展，也为环境监测和污染治理提供了新的思路和方法。