磁性ZnO/Fe3 O4 修饰生物炭构建Z型异质结高效去除水体中四环素的研究

针对水体中四环素（TC）污染导致的生态与健康风险，研究人员开发了一种新型磁性Z型异质结光催化剂ZnO/Fe3 O4 /BC（MZB）。该材料通过吸附-光催化协同作用，在可见光下实现90.4%的TC去除率，降解速率达20.27×10?3 min?1 ，较单一组分提升2.1-5.8倍。其优异的稳定性（5次循环后效率仅降低8%）和生物相容性（促进绿豆幼苗生长），为农林废弃物资源化与水污染治理提供了新策略。

　　

四环素（TC）作为全球使用量最大的抗生素之一，其环境残留引发的微生物耐药性和生态毒性已成为重大公共卫生问题。由于TC化学结构稳定，传统水处理技术难以有效降解，而光催化技术虽能利用太阳能分解污染物，却面临催化剂回收困难、可见光利用率低等瓶颈。如何开发兼具高效降解能力和易回收特性的新型光催化剂，成为环境治理领域的研究热点。

湖南省科研团队通过创新性地将ZnO和Fe₃
O₄
共掺杂于杨木粉生物炭（BC）上，成功构建了磁性Z型异质结光催化剂0.8-MZB。该材料在40 mg L^?1
TC溶液中仅需10 mg剂量即可实现90.4%的去除率，其光催化降解速率常数（20.27×10^?3
min^?1
）远超单一组分，且可通过磁铁快速回收。研究证实，BC不仅作为载体提供高达23.17 mg g^?1
的吸附容量（符合伪二级动力学模型），更作为电子传输通道促进Z型体系中光生载流子分离。这项发表于《Biomass and Bioenergy》的成果，为农林废弃物高值化利用和水体抗生素污染治理提供了双赢方案。

关键技术方法
研究采用共沉淀-热解法合成MZB系列催化剂，通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（HRTEM）等表征确认Z型异质结结构；利用紫外-可见漫反射（UV-vis）和光致发光光谱（PL）分析光响应特性；采用电子顺磁共振（ESR）捕获活性自由基；通过循环实验和不同水质（pH、离子强度）测试评估实际应用潜力；以绿豆幼苗实验评价生态毒性。

研究结果

1. 材料表征：XRD证实ZnO与Fe₃
   O₄
   成功负载于BC，BET显示0.8-MZB比表面积达198.7 m²
   g^?1
   ；HRTEM观察到ZnO与Fe₃
   O₄
   的紧密界面接触，EDX映射显示元素均匀分布。

2. 吸附-光催化协同机制：Z型异质结使0.8-MZB可见光吸收边红移至650 nm，PL强度降低表明e^?
   /h⁺
   复合率下降。ESR检测到超氧自由基（·O₂
   ^?
   ）和羟基自由基（·OH）为主要活性物种。

3. 环境适应性：在pH=5-9范围内保持80%以上效率，腐殖酸和常见离子影响小于15%。磁性测试（VSM）显示饱和磁化强度为35.6 emu g^?1
   ，可实现快速磁分离。

4. 生态安全性：100 mg L^?1
   0.8-MZB促进绿豆幼苗生长（芽长增加26%），但浓度≥400 mg L^?1
   时出现抑制效应。

结论与意义
该研究开创性地将生物炭的吸附特性与Z型光催化体系结合，通过构建ZnO/Fe₃
O₄
/BC三元复合材料，解决了传统光催化剂回收难、太阳光利用率低的难题。其创新点在于：（1）BC作为电子桥梁加速Z型电荷转移；（2）Fe₃
O₄
赋予磁回收功能；（3）农林废弃物衍生BC实现资源循环。这项工作不仅为抗生素污染控制提供了高效稳定的解决方案，更拓展了生物炭在环境催化中的应用维度，对推动绿色水处理技术发展具有重要指导价值。