βPDI/FeOOH纳米岛界面键导向电子超高速通道：解锁pH鲁棒性双自由基协同效应实现难降解抗生素光催化矿化

本研究通过构建具有Fe-O-C共价键界面的S型异质结（βPDI/FeOOH），实现了原子级分散的FeOOH纳米岛（平均2.3 nm）锚定，显著提升光芬顿反应效率。该结构通过电子超高速通道促进电荷分离（载流子寿命达269.7 ps），在可见光下实现91.7%磺胺甲噁唑降解率及84.5% TOC矿化率，并具备宽pH适应性（3-9）、低铁浸出（<1%）和实际水体耐受性，为高级氧化技术提供了新范式。

　　

Highlight

本研究通过共价锚定策略构建了βPDI/FeOOH S型异质结，其中FeOOH以纳米岛形式（平均尺寸2.3 nm）高度分散，形成Fe-O-C界面键作为电子超高速通道，显著加速光生电荷分离。通过X射线吸收精细结构（XAFS）和飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）等技术，揭示了界面键在激子解离和电荷动力学中的原子级机制。该系统在可见光下光电流提升14.7倍，磺胺甲噁唑降解率达91.7%，总有机碳（TOC）矿化率为84.5%，主要归因于延长的载流子寿命（269.7 ps）促进的·OH/·O₂^?双自由基协同效应。该设计克服了传统芬顿体系中Fe³⁺/Fe²⁺再生慢、活性位点钝化等问题，展现出优异的催化稳定性和实际水体适应性。

Introduction

工业化加速导致水体中有机污染物（POPs）持续累积，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统（光）芬顿技术虽具潜力，但受限于Fe³⁺/Fe²⁺再生缓慢、界面电荷传输不足及苛刻pH条件，导致自由基产率低和活性位点钝化。异相光芬顿体系的核心挑战在于载体与铁物种间电子通信不足。近年来，苝二酰亚胺（PDI）因宽光谱响应、可调能带结构和载流子迁移率高成为理想载体，但其缺乏本征芬顿活性位点，且传统复合策略（如物理混合）易导致铁物种聚集和电子传输路径低效。本研究提出通过Fe-O-C共价键构建βPFe S型异质结，首次实现PDI与FeOOH纳米簇的稳定化学界面。通过球差校正透射电镜（AC-TEM）、XAFS和fs-TAS证实了纳米级分散、界面键存在及超快电子转移路径，原位ATR-FTIR进一步验证了H₂O₂活化机制。βPFe在模拟湖水及医疗废水中均表现出卓越的磺胺甲噁唑降解能力，为设计高效界面工程提供了新思路。

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Materials

实验所用化学品包括：六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O，分析纯）、苝四酸二酐（PDA，分析纯）、β-氨基酸（C₃H₇NO₂，分析纯）、咪唑（C₃H₄N₂，分析纯）、三乙胺（C₆H₁₅N，分析纯）、三乙醇胺（C₆H₁₅NO₃，分析纯）、偏钒酸钠（NaVO₃，分析纯）、四环素（TC，分析纯）、磺胺甲噁唑（SMX，分析纯）、苯酚、糠醇（FFA，分析纯）、叔丁醇（TBA，分析纯）、甲醇（MeOH，分析纯）及硝酸银（AgNO₃，分析纯）。所有化学品均直接使用未进一步纯化。

Morphological and Structural Characterization

形貌与结构分析（图1a-b, S2a-b, S3b-c）显示βPDI为规整的一维纳米纤维（直径100-200 nm，微米级长度）。AC-TEM图像（图1a）表明βPFe复合材料中FeOOH以纳米簇形式高度分散，统计平均尺寸约2.3 nm（支持信息图S1）。这些纳米簇与βPDI界面形成紧密接触，为电子传输提供通道。X射线衍射（XRD）和XAFS进一步证实了Fe-O-C键的存在及FeOOH的短程有序结构。

Conclusion

本研究通过界面Fe-O-C化学键与S型异质结能带工程的协同策略，成功构建了βPDI/FeOOH复合光芬顿系统，显著提升了污染物降解效率与过程可持续性。实验证明该系统在可见光下实现了Fe³⁺高效原位光还原及·OH/·O₂^?自由基协同生成，为高级氧化技术应对复杂水体环境提供了新方案。