白色LED驱动的{010}面体BiVO 4介导的电子转移实现了高效过一硫酸盐活化，从而有效降解诺氟沙星

《Advanced Powder Materials》：White LED driven {010}-faceted BiVO 4 mediated electron transfer enables efficient permonosulfate activation for norfloxacin degradation

光催化降解诺氟沙星：等离子处理BiVO4（010）表面的氧空位与金属铋协同效应

　　在当今社会，随着抗生素使用量的不断增加，其在水体中的残留问题日益严重，成为环境治理领域的一大挑战。特别是像诺氟沙星（NOR）这样的抗生素，其广泛应用于医疗和农业领域，但同时也因其在自然水体中的持久性和潜在毒性而备受关注。为了有效去除这些污染物，科研人员正在积极寻找高效且环保的光催化剂，以实现对水体中抗生素的降解。本研究提出了一种创新的表面工程策略，通过等离子体处理，在BiVO?的{010}晶面引入丰富的氧空位（V?）和金属Bi纳米颗粒，从而显著提升其对PMS（过硫酸盐）的激活效率，最终实现对NOR的高效去除。

BiVO?作为一种重要的光催化剂，因其在可见光下的优异性能而受到广泛关注。它具有良好的化学稳定性、低毒性以及成本效益，这些特性使其在有机污染物降解中具有应用潜力。此外，BiVO?的带隙宽度约为2.4 eV，能够被可见光有效激发，从而产生光生电子-空穴对。然而，在可见光与BiVO?结合的PMS活化系统中，其降解效率仍存在局限性。主要原因在于可见光的能量较低，难以高效激发光生电子，以及催化剂与PMS之间的电子转移效率不足。为了解决这些问题，研究人员尝试通过不同的表面工程手段，如晶面调控和金属掺杂，来提升BiVO?的光催化性能。

在本研究中，研究人员通过等离子体处理，成功地在BiVO?的{010}晶面上引入了氧空位和金属Bi纳米颗粒。这一处理方法不仅提高了BiVO?对可见光的吸收能力，还增强了其对PMS的吸附能力，从而提升了电子转移效率。实验和理论计算表明，金属Bi纳米颗粒能够通过表面等离子体共振（SPR）效应增强光吸收，并产生更多的热电子。同时，氧空位的引入使得PMS更容易吸附在催化剂表面，进一步促进了电子与PMS之间的相互作用，从而提升其活化效率。通过这种协同效应，BiVO?-010-P在白光LED照射下仅需80分钟即可实现约95%的NOR去除率，显著优于原始BiVO?的性能。

研究还通过多种表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等，对BiVO?-010-P的结构和形貌进行了详细分析。结果表明，经过等离子体处理后，BiVO?-010-P的表面变得更加粗糙，且金属Bi纳米颗粒均匀分布在催化剂表面。这些纳米颗粒的存在不仅改变了催化剂的表面特性，还促进了电子的迁移和转移过程。此外，X射线光电子能谱（XPS）和电子自旋共振（EPR）实验进一步验证了氧空位和金属Bi的存在，以及它们在催化剂表面的分布情况。XPS结果显示，BiVO?-010-P中金属Bi的特征峰明显增强，而氧空位的存在则使得催化剂表面的电荷转移能力显著提升。EPR实验则表明，在可见光照射下，催化剂表面能够生成多种自由基，包括羟基自由基（•OH）、硫酸根自由基（SO?•?）和超氧自由基（•O??），这些自由基在NOR的降解过程中起到了关键作用。

为了进一步探究BiVO?-010-P的光催化性能，研究人员还进行了多种实验，包括不同反应条件下的NOR降解效率测试、不同离子对催化性能的影响分析以及催化剂在不同水体系中的适用性评估。实验结果显示，BiVO?-010-P在可见光和PMS共同作用下表现出优异的降解性能，其效率远高于单独使用可见光或PMS的情况。此外，BiVO?-010-P对多种抗生素具有广泛的降解能力，能够有效去除水体中的多种污染物。在不同环境水体（如海水、河水和湖水）中，BiVO?-010-P也展现出良好的降解性能，尽管在某些水体中其效率略有下降，但总体表现依然优于传统光催化剂。

研究还通过液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）对NOR的降解中间产物和可能的反应路径进行了深入分析。结果表明，NOR的降解过程主要涉及脱羧反应、哌嗪环裂解以及最终的矿化反应。脱羧反应将NOR分解为较小的有机分子，而哌嗪环裂解则进一步促进其降解。这些反应最终导致NOR分子结构的破坏，并生成CO?和H?O等无害产物。通过这一过程，BiVO?-010-P不仅能够有效去除NOR，还能显著降低其降解产物的毒性和致突变性。研究结果表明，该催化系统能够有效减少NOR的急性毒性和发育毒性，从而降低对环境的潜在危害。

此外，研究还对催化剂的稳定性进行了评估。通过多次循环实验，BiVO?-010-P在四次循环后仍能保持超过85%的NOR降解效率，说明其具有良好的可回收性和稳定性。XRD和Raman光谱分析表明，经过等离子体处理后的催化剂结构没有发生明显变化，进一步验证了其在反应过程中的稳定性。这一结果表明，BiVO?-010-P不仅在降解效率上表现出色，而且在实际应用中具有较高的可行性。

本研究的理论计算部分也提供了重要的支持。通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，研究人员揭示了氧空位和金属Bi纳米颗粒在BiVO?-010-P中的协同作用机制。计算结果表明，氧空位的引入能够显著增强PMS的吸附能力，并促进电子与PMS之间的转移过程。同时，金属Bi纳米颗粒通过表面等离子体共振效应增强了催化剂对可见光的吸收能力，从而生成更多的热电子。这些热电子进一步参与PMS的活化，生成更多的活性物种，如SO?•?和•OH，从而提升降解效率。通过这些理论计算，研究人员进一步验证了实验结果，并为未来催化剂的设计提供了理论依据。

综上所述，本研究通过等离子体处理，在BiVO?的{010}晶面引入了氧空位和金属Bi纳米颗粒，显著提升了其对PMS的激活能力，从而实现了对NOR的高效降解。实验和理论计算结果表明，这一策略不仅能够增强催化剂的光吸收能力和电子转移效率，还能有效提升其在实际环境中的应用价值。BiVO?-010-P在可见光和PMS协同作用下表现出卓越的降解性能，能够快速、高效地去除水体中的抗生素污染物。此外，该催化剂还展现出良好的稳定性和可回收性，为未来在废水处理系统中的广泛应用奠定了基础。本研究提出的表面工程策略，不仅为抗生素污染物的治理提供了新的思路，也为其他污染物的降解研究提供了借鉴。