高效的直接Z型结构CuWO?/g-C?N?薄膜用于河水中莫西沙星的光电催化氧化

《Surfaces and Interfaces》：Efficient direct Z-scheme CuWO 4/g-C 3N 4 films for photoelectrocatalytic oxidation of Moxifloxacin in river water

抗生素污染治理；CuWO4/g-C3N4异质结构；直接Z方案电荷转移；光阳极催化；界面工程优化；莫西沙星降解效率；总有机碳去除；光电化学系统；水热合成；可持续水处理技术

　　随着抗生素在废水中的频繁出现，其对生态系统和公共健康的威胁日益加剧，成为全球抗菌耐药性（AMR）上升的重要原因之一。为应对这一挑战，开发高效且可持续的水处理技术显得尤为迫切。本研究聚焦于构建一种新型的光催化材料——直接Z型CuWO?/g-C?N?异质结构，并通过实验评估其在去除摩西福喹啉（MOX）方面的性能。该材料在超纯水和实际废水（河流水）中均展现出良好的降解效果，尤其是在使用多色光照射和较低的施加电位（0.7 V vs. Ag/AgCl）条件下，进一步验证了其在实际环境中的应用潜力。

抗生素污染已成为水体污染中的重要问题，尤其在地表水体中，诸如染料、农药、微塑料和药品残留等有害污染物的出现引发了严重的环境和健康担忧。其中，药品化合物，尤其是抗生素，因其在水体中的广泛存在和在抗菌耐药性形成中的关键作用而受到越来越多的关注。抗生素的滥用和排放导致其在自然环境中持续存在，且传统处理方法难以有效去除。这不仅影响了水体的生态平衡，还对人类健康构成潜在威胁。因此，探索新型的污染治理技术，特别是针对抗生素等难降解污染物的处理方法，成为当前研究的重点。

在众多污染治理技术中，高级氧化工艺（AOPs）因其能够高效降解难降解污染物而受到高度重视。其中，异质型光催化技术作为AOPs的一种重要形式，被广泛应用于水处理和可持续能源领域。该技术通过半导体材料在光的作用下产生高活性的自由基，从而实现污染物的高效分解。然而，现有光催化材料往往存在一些固有局限，如可见光响应能力差、电子-空穴对快速复合以及光化学稳定性不足等问题。这些问题严重制约了光催化技术在实际应用中的效果。因此，研究人员不断探索材料改性策略，包括结构调控、形貌控制、异质结构建、元素掺杂以及量子点的引入等。

异质结的构建被认为是提升光催化性能的有效手段之一。通过合理设计半导体材料之间的界面，可以优化电子和空穴的分离效率，减少其复合概率，从而提升光催化反应的整体性能。例如，Lima等人研究了CuWO?/MnWO?异质结的构建，发现其能够延长载流子的寿命，显著提升光催化效率。此外，石墨碳氮化物（g-C?N?）因其良好的能带结构、无金属组成以及对可见光的响应能力，成为与CuWO?构建异质结的理想候选材料。通过Z型或Type-II型的电荷转移机制，g-C?N?与CuWO?之间的异质结可以有效促进电子-空穴对的分离，从而提升材料的光催化活性。

基于上述研究背景，本研究采用水热法合成CuWO?/g-C?N?异质结构，并通过滴涂法构建薄膜。所制备的薄膜用于在光电化学池中进行高级氧化处理，以去除MOX。实验结果显示，优化后的CW/CN20薄膜（即g-C?N?含量为20 wt%的薄膜）在超纯水中表现出优异的光电催化性能，能够在多色光照射和低施加电位下实现MOX的49%降解率和TOC的50%去除率。值得注意的是，该系统在实际的河流水中也保持了较高的效率，实现了TOC的83.7%去除率，进一步证明了其在实际废水处理中的可行性。

在材料合成方面，本研究选择了多种化学试剂，包括钠钨酸二水合物、铜硝酸三水合物、三聚氰胺、银硝酸、钠硝酸、氯化钠、氟掺杂二氧化锡导电玻璃（FTO）等，这些试剂均来自Sigma-Aldrich公司。此外，还使用了硫酸钠、氢氧化钠、丙酮和草酸铵一水合物等辅助试剂。通过合理的试剂配比和合成工艺，成功制备了具有高光催化活性的CuWO?/g-C?N?异质结构薄膜。

在材料性能分析方面，本研究通过X射线衍射（XRD）技术对薄膜的晶体结构和纯度进行了系统评估。实验结果显示，所有薄膜的XRD图谱均显示出与FTO基底一致的信号，表明薄膜在基底上具有良好的附着性。此外，纯CuWO?薄膜和异质结构薄膜的衍射峰清晰可见，显示出良好的结晶性和周期性。主要的2θ衍射峰位于15.1°、18.84°、22.74°、23.32°、23.92°、25.72°、26.74°、28.46°、29.94°、31.42°和31.9°等位置，进一步验证了材料的结构特征和纯度。

在材料的光学性能方面，研究团队通过实验评估了薄膜的可见光响应能力和光催化活性。通过光致发光和紫外-可见漫反射光谱等技术，进一步揭示了材料在不同波长下的响应特性。实验结果显示，CW/CN20薄膜在可见光区域表现出良好的响应能力，能够有效吸收光能并产生高活性的自由基，从而实现MOX的高效降解。此外，通过光电化学测试，进一步评估了薄膜在不同电位下的电荷转移效率，验证了其在实际应用中的可行性。

在实际应用验证方面，本研究通过在真实废水（河流水）中进行实验，评估了CW/CN20薄膜的降解效果。实验结果显示，该薄膜在河流水中依然能够保持较高的降解效率，实现了TOC的83.7%去除率。这表明该材料不仅适用于实验室条件下的超纯水处理，还具备在复杂水体中应用的潜力。此外，研究团队还通过细菌杀灭实验，进一步验证了降解后的MOX溶液对微生物的抑制效果，提供了该材料在实际环境中的应用证据。

本研究通过系统分析CuWO?/g-C?N?异质结构的结构、光学和光电化学性能，揭示了其在光电催化降解MOX方面的优势。研究结果表明，通过精确的界面工程设计，可以有效提升材料的光催化活性，使其在低电位和多色光照射条件下实现高效的污染物去除。此外，该材料的制备过程简单，成本较低，符合绿色化学的发展理念，具有良好的可扩展性和应用前景。

综上所述，本研究通过构建CuWO?/g-C?N?异质结构薄膜，成功实现了对MOX的高效光电催化降解。实验结果表明，该材料在超纯水和实际废水（河流水）中均表现出良好的降解效果，特别是在使用多色光照射和较低的施加电位条件下，能够有效去除TOC。这为抗生素等新兴污染物的治理提供了新的思路和方法，有助于推动可持续的水处理技术发展。此外，该研究还强调了材料界面工程在提升光催化性能中的关键作用，为今后相关材料的设计和优化提供了重要的理论依据和实验支持。