双Z结构双功能In?S?-CeVO?-La?O?三元异质结构在增强光催化应用中的研究

《Surfaces and Interfaces》：Double Z-scheme bifunctional In 2S 3-CeVO 4-La 2O 3 ternary heterostructure for enhanced photocatalytic application

纳米复合材料In?S?-CeVO?-La?O?通过超声法合成，兼具光催化降解环丙沙星（98.53%）和还原六价铬（84.28%）的双重功能，机理为双Z型异质结提升电荷分离效率，且循环稳定性优异。

　　近年来，随着环境污染问题的日益严重，尤其是水体中的有机污染物和重金属污染，研究者们正在不断探索更加高效、环保的治理方法。在这一背景下，新型多功能光催化剂的研发成为解决水污染的重要方向。本文介绍了一种名为In?S?-CeVO?-La?O?（ICL）的三元纳米复合材料，其通过简便的超声波法合成，并在环境修复方面表现出卓越的性能。该材料不仅能够高效降解抗生素类污染物，如环丙沙星（CFX），还能有效还原六价铬（Cr??），展现出在可见光条件下的双功能特性，为水处理技术提供了新的思路。

环丙沙星是一种广泛使用的广谱抗生素，其在自然水体中的残留已成为全球性的环境问题。由于抗生素的分子结构稳定，传统的污水处理工艺难以将其彻底去除，导致其在水体中长期积累，对生态系统和人类健康造成潜在威胁。研究表明，长期暴露于低浓度抗生素可能促进耐药菌的产生和传播，从而削弱抗生素在治疗疾病中的效果。因此，开发能够高效降解抗生素的材料显得尤为迫切。光催化技术因其能够在常温常压下将污染物分解为无害的产物，成为一种有前景的解决方案。

六价铬是一种具有强毒性和致癌性的重金属污染物，其主要来源于电镀、皮革鞣制和纺织制造等工业过程。六价铬在水体中具有高度的迁移性，容易被生物体吸收，从而引发呼吸系统、肾脏等健康问题，并与癌症的发生密切相关。此外，六价铬可能在水和土壤中长期残留，污染生态系统并进入食物链，形成持久的环境问题。因此，如何有效去除六价铬成为环境治理的重要课题。目前，传统的去除方法如沉淀、吸附等存在效率低、成本高等问题，而光催化还原技术因其能够将六价铬转化为毒性较低的三价铬（Cr3?），并实现高效、可持续的去除，成为研究的热点。

光催化技术利用半导体材料，在光照条件下产生电子-空穴对，从而启动氧化和还原反应。这种技术在降解有机污染物和还原重金属方面均表现出色。然而，单一组分的光催化剂在实际应用中存在诸多限制。例如，常见的TiO?等材料由于其较大的禁带宽度，仅能响应紫外光，限制了其在自然光条件下的应用。此外，单一材料往往具有较差的电荷分离能力，电子和空穴容易快速复合，从而降低反应活性。因此，科学家们正在研究多组分光催化剂，通过结合多种材料的优势，提升光吸收能力、促进电荷分离并增强材料的稳定性。

本文中的ICL复合材料由In?S?、CeVO?和La?O?三种材料组成，每种材料在复合体系中都发挥了独特的作用。In?S?是一种可见光响应的半导体，具有较小的禁带宽度，使其能够有效利用太阳光谱的一部分。该材料在可见光条件下表现出优异的光催化活性，能够生成电子-空穴对，从而启动有机污染物的降解和金属离子的还原过程。CeVO?则以其优异的化学稳定性和光吸收能力著称，能够作为电子受体和稳定剂，减少电子-空穴的复合，提升电荷传输效率。此外，CeVO?的Ce??/Ce3?红ox中心有助于增强光催化性能。La?O?则为复合材料提供了结构稳定性和增强的氧化能力，使其在降解复杂有机污染物如环丙沙星方面表现出色。

在光催化反应中，电荷分离和传输效率是决定反应性能的关键因素。本文提出的双Z型异质结结构，相比传统的类型II异质结或单一组分光催化剂，具有更显著的优势。在Z型异质结中，高还原能力的电子被保留在还原半导体的导带（CB）中，而高氧化能力的空穴则被保留在氧化半导体的价带（VB）中。这种结构有助于更高效的电荷分离，同时保持各半导体的高红ox能力。因此，Z型机制通过促进电荷转移和减少复合速率，提升了光催化效率，相较于传统异质结的弱红ox能力，具有更大的优势。

在本研究中，ICL复合材料的制备采用了简便的超声波法，这一方法不仅降低了合成成本，还提高了材料的均匀性和分散性。通过X射线衍射（XRD）分析，证实了ICL复合材料的成功合成，并观察到In?S?、CeVO?和La?O?各组分的特征峰，表明其在复合体系中形成了良好的界面接触。此外，XRD分析还揭示了峰强度的变化、峰位的偏移和峰宽的增加，进一步证明了各组分之间的协同作用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析则展示了复合材料的化学结构和官能团的变化，为理解其光催化机制提供了重要依据。

在实际应用中，ICL复合材料表现出优异的性能。在优化的反应条件下，该材料能够在40分钟内实现环丙沙星降解效率达98.53 ± 1.44%，并且在60分钟内将六价铬还原效率提升至71.42 ± 1.28%。值得注意的是，在环丙沙星存在的情况下，六价铬的还原效率进一步提高至84.28 ± 1.75%。这一现象可能与生成的活性氧物种（ROS）与环丙沙星的相互作用有关，这种相互作用有助于减少六价铬从三价铬中逆向生成的可能性。因此，环丙沙星的存在不仅不会影响光催化反应，反而可能增强其效果。

此外，ICL复合材料在化学需氧量（COD）去除和其他污染物降解方面也表现出色。这表明该材料具有广泛的适用性，能够在多种污染条件下发挥作用。在多次光催化反应和光还原实验中，该材料显示出较高的可重复使用性，即使在5次光催化反应和4次光还原实验后，其性能依然保持良好，这为其在实际环境治理中的应用提供了重要支持。

本研究的创新点在于，通过合理的材料组合，构建了一个高效的双Z型异质结结构，从而实现了对有机污染物和重金属污染的同步治理。这一策略不仅提升了光催化反应的效率，还为开发多功能、可持续的水处理技术提供了新的思路。ICL复合材料的成功合成和性能评估，展示了多组分光催化剂在提升环境治理能力方面的巨大潜力。

在环境治理领域，多组分光催化剂的应用正逐步扩展。其优势在于能够结合多种材料的特性，形成协同效应，从而提升光催化反应的效率和稳定性。此外，多组分材料能够增强光吸收能力，提高反应活性，并减少电荷复合速率，使光催化反应在更广泛的光照条件下进行。因此，多组分光催化剂不仅能够应对单一污染物的治理问题，还能够实现对多种污染物的同步处理，为开发更全面的水处理技术提供了重要基础。

从材料科学的角度来看，本研究的成果为光催化机制的深入研究提供了新的视角。通过构建In?S?-CeVO?-La?O?异质结，研究者们不仅优化了界面电荷传输动力学，还提升了材料的表面活性位点和红ox潜力。这些改进使得ICL复合材料在可见光条件下表现出更优异的光催化性能，为开发新一代多功能光催化剂提供了理论支持和技术路径。

总之，本文的研究成果表明，通过合理的材料组合和结构设计，可以构建出高效的多功能光催化剂，从而实现对多种污染物的同步治理。这种材料不仅在可见光条件下表现出色，还具有较高的可重复使用性和稳定性，为环境治理提供了新的解决方案。随着对环境污染问题的深入研究和对新型治理技术的不断探索，ICL复合材料的应用前景十分广阔，有望成为未来水处理技术的重要组成部分。