磁性压电复合材料Fe3O4/SrBi2Ta2O9的球磨驱动高效抗生素降解机制与循环利用研究

针对水体抗生素污染治理难题，暨南大学团队创新性构建磁性可回收压电复合材料Fe3O4/SrBi2Ta2O9（Fe/SBTO）。该材料在球磨条件下通过构建异质结内建电场，实现96.8%的氧四环素（OTC）降解效率，较传统材料提升3.13倍，磁回收率达90%，为水环境抗生素治理提供新型绿色解决方案。

　　

随着COVID-19疫情期间抗生素滥用加剧，水体中氧四环素（OTC）等药物污染物已构成严峻的环境健康威胁。这类物质不仅诱发细菌耐药性，更可能形成持久性有机污染物。传统生物处理技术存在二次污染风险，而超声催化等先进氧化工艺又面临粉末催化剂回收困难、活性位点覆盖等瓶颈。如何开发兼具高效降解与易回收特性的新型材料，成为环境治理领域的重大挑战。

暨南大学环境与气候学院的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有Aurivillius层状结构的压电材料SrBi₂Ta₂O₉（SBTO）。这类材料的特殊层状排列可形成垂直于层间的内建电场，显著提升电荷分离效率。研究人员通过水热法将磁性Fe₃O₄纳米颗粒负载于SBTO表面，成功制备出Fe/SBTO复合材料，在《Water Cycle》发表了这项突破性成果。

研究团队采用高能球磨替代传统超声处理，通过X射线衍射（XRD）、压电力显微镜（PFM）等表征手段证实材料结构，结合紫外-可见漫反射光谱（DRS）测定能带结构。通过设计不同转速的球磨实验和自由基捕获实验，系统评估了材料性能。

材料优化与表征

当Fe₃O₄与SBTO摩尔比为0.2:1时，材料表现出最佳性能。DRS分析显示复合材料带隙从2.81eV降至2.62eV，PFM测试揭示其压电响应振幅达7.95mV，较纯SBTO提升6倍。SEM-EDS证实Fe元素均匀分布，10-20nm的Fe₃O₄颗粒成功锚定在SBTO片层表面。

降解性能突破

在600rpm球磨条件下，Fe/SBTO对OTC和四环素（TC）的30分钟降解率分别达96.8%和97.0%，速率常数（0.08690 min^-1）是纯SBTO的2.34倍。对比实验显示，其性能远超传统压电材料T-BaTiO₃（降解率56.9%）。自由基捕获实验表明，单线态氧（¹O₂）贡献率达50.2%，空穴（h⁺）贡献22.7%，构成降解的主要活性物种。

回收机制创新

磁性测试证实材料可通过磁铁快速分离，六次循环后回收率保持73%。经硫酸活化后，降解效率可从49.5%恢复至82%。能量消耗分析显示其单位处理能耗（501.72kWh/m³）仅为超声催化体系的1/6。

这项研究通过巧妙的材料设计解决了压电催化领域两大核心难题：一方面利用Aurivillius层状结构促进电荷分离，另一方面通过磁性组分实现粉末催化剂的便捷回收。所构建的Type-II型异质结不仅保留SBTO的高活性表面，还通过Fe₃O₄的界面效应增强自发极化。该工作为发展绿色高效的水处理技术提供了新思路，其"磁回收-酸再生"策略对各类粉末催化剂的工程化应用具有重要借鉴意义。