镧系元素诱导的缺陷工程BTO纳米颗粒作为超声驱动的可重复使用压电催化剂，用于降解有机染料、抗生素和细菌病原体，以实现全面的废水处理

《Separation and Purification Technology》：Lanthanide-induced defect-engineered BTO nanoparticles as ultrasound-driven reusable piezocatalysts for degradation of organic dyes, antibiotics, and bacterial pathogens for comprehensive wastewater treatment

本研究采用水热法合成Er3?和Gd3?共掺杂的钡钛酸钠纳米材料，通过压电催化降解刚果红和环丙沙星，并抑制铜绿假单胞菌。实验表明，Er掺杂材料（EBT）在降解效率（93.65%刚果红，89.5%环丙沙星）和抗菌活性（>98%杀菌率）上优于Gd掺杂材料（GBT），同时EBT对正常WI-38成纤维细胞生物相容性（94%）优于GBT（91%），但对U87MG胶质瘤细胞毒性显著（30-42%）。该材料为废水处理和抗癌应用提供了可持续解决方案。

　　在当前全球面临日益严峻的水污染问题背景下，寻找高效、环保且可持续的水处理技术显得尤为重要。水体中的污染物不仅威胁生态系统的健康，还对人类公共健康构成潜在风险，尤其是抗生素残留、有机染料以及病原菌的传播。这些问题的加剧源于工业活动、城市化进程和医疗废弃物的排放，使得传统水处理方法难以满足当前的需求。为此，科学家们不断探索新的材料和工艺，以提高污染物去除效率并减少对环境的二次影响。本文介绍了一种基于压电催化原理的创新技术，利用稀土离子掺杂的氧化钡钛（BTO）纳米颗粒，通过水热法合成，并在低能量超声波条件下实现对多种污染物的高效去除。

水处理技术的不断进步离不开对新型材料的深入研究。压电催化作为一种新兴的水处理方式，近年来受到广泛关注。它利用压电材料在受到机械压力时产生内部电场，进而促进正负电荷的分离，并将这些电荷引导至材料的两极表面，驱动表面反应，从而分解有机污染物。相比传统的光催化和吸附技术，压电催化具有显著的优势，例如无需依赖光照，可以利用自然环境中丰富的低频机械能，以及内部电场有助于抑制电子-空穴复合，提高催化效率。这些特性使其在分解抗生素、染料以及消除病原菌方面展现出广阔的应用前景。

在众多压电材料中，氧化钡钛（BTO）因其优异的铁电性能、良好的导电性和非中心对称结构而成为压电催化研究的热门对象。为了进一步提升其性能，研究者们尝试通过稀土元素或异价离子的掺杂来引入晶格畸变和氧空位，从而增强其极化能力和催化活性。这些缺陷在提升BTO的压电性能方面起到了关键作用，它们不仅影响材料的晶域结构和极化动力学，还能调节局部电场，从而提高自发极化和晶域壁运动的效率。同时，掺杂还能降低晶域钉扎现象，使得在外部应力或电场作用下，电偶极子更容易重新取向，进一步提升材料的压电响应能力。

本研究中，科学家们选择了铒（Er3?）和钆（Gd3?）作为BTO的掺杂元素，这两种稀土离子的离子半径均小于钛（Ti??）的离子半径，从而能够有效地引入晶格畸变。这种畸变破坏了材料的局部对称性，增强了内部电场，提高了材料的极化能力和铁电晶域的对齐程度。此外，Er3?和Gd3?的掺杂还能引入局部态，促进电荷分离并抑制电子-空穴复合，从而显著提升催化效率。研究团队通过水热法成功合成了两种缺陷工程化的BTO纳米颗粒，分别为Er掺杂的BTO（EBT）和Gd掺杂的BTO（GBT）。这些纳米颗粒在低能量超声波（15 kHz）刺激下，能够有效去除有机染料、抗生素以及病原菌。

具体而言，EBT在75分钟内对 Congo Red 染料（CR）和 ciprofloxacin（CIP）表现出优异的降解能力，分别达到约93.65%和89.5%的去除率。同时，EBT在20分钟内实现了对病原菌 *Pseudomonas aeruginosa* 的高效灭活，表现出超过98%的去除率。相比之下，GBT虽然也具备一定的降解能力，但其效果略逊于EBT。这种差异可能源于Er3?和Gd3?在材料中的不同作用机制。Er3?的掺杂不仅增强了晶格畸变，还促进了氧空位的形成，从而提升了活性氧（ROS）的生成能力。而Gd3?的掺杂则通过其半填充的4f轨道引入局部态，并进一步产生磁矩，调节电荷转移路径，从而对催化性能产生积极影响。

在生物相容性方面，研究团队通过细胞毒性实验评估了EBT和GBT纳米颗粒对正常细胞和癌细胞的影响。实验结果显示，EBT对WI-38成纤维细胞的细胞活性保持在约94%，而GBT则保持在约91%。这表明两种材料在生物应用中均表现出良好的安全性。然而，在对U87MG胶质母细胞瘤细胞的实验中，EBT的细胞活性下降至约30%，而GBT则下降至约42%。这一结果凸显了EBT在抗肿瘤方面的潜在应用价值。这些发现不仅说明了EBT和GBT在降解污染物方面的能力，也揭示了它们在生物医学领域中的应用潜力。

此外，研究团队还评估了EBT和GBT在水处理中的实际应用效果。实验表明，这两种纳米颗粒在低能量超声波条件下能够有效去除多种污染物，包括CR、CIP以及 *P. aeruginosa*。这种高效的降解能力得益于材料中缺陷工程和结构优化的协同作用。同时，纳米颗粒的低毒性特性也使其在实际应用中更具优势。通过细胞裂解实验，研究团队确认了EBT和GBT对细胞的无害性，进一步支持了它们在水处理和生物医学领域的可行性。

为了验证这些材料的性能，研究团队还进行了系统的表征工作。X射线衍射（XRD）分析确认了合成材料的晶相形成、结晶度以及结构完整性。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进一步揭示了材料的微观结构，包括其表面形貌和晶格畸变情况。这些表征结果不仅为材料的性能提供了理论依据，也为后续的实验研究奠定了基础。通过这些分析，研究团队能够更深入地理解材料在不同条件下的行为，从而优化其性能。

在实际应用方面，这些材料展现出了广阔的发展前景。它们不仅可以用于水处理，还可以在生物医学领域发挥重要作用。例如，EBT和GBT的高效降解能力和良好的生物相容性使其在去除水体中的污染物方面具有优势。同时，它们在抗肿瘤方面的表现也表明其在生物医学中的应用潜力。这些发现不仅为当前的水处理技术提供了新的解决方案，也为未来的研究方向提供了重要的参考。

总体而言，本研究通过引入稀土离子掺杂技术，成功提升了BTO纳米颗粒的压电催化性能。这一成果不仅展示了新型材料在水处理中的应用价值，也体现了科学界在应对环境污染问题方面的努力。随着对环保和可持续技术的不断追求，压电催化作为一种绿色、高效、低成本的水处理方式，有望在未来得到更广泛的应用。同时，这些材料在生物医学领域的表现也表明其在多学科交叉研究中的重要地位。通过进一步的研究和优化，科学家们可以开发出更多具有实际应用价值的材料，为解决全球水污染和健康问题提供新的思路和方法。