从醋栗废弃物中制备的生物炭支持的Bi?MoO?纳米复合材料在可见光驱动下表现出高效电荷转移性能，可用于抗生素的光催化降解

《Journal of Water Process Engineering》：Efficient charge transfer in rheum ribes waste-derived biochar-supported Bi 2MoO 6 nanocomposites for visible-light-driven photocatalytic degradation of antibiotics

Rheum废弃物生物炭负载Bi?MoO?纳米复合材料高效可见光降解四环素，结构表征证实Bi?MoO?纳米片均匀分散于多孔生物炭框架，光吸收增强且电荷分离效率提升，降解率超95%，机理以O??·自由基为主，电荷转移与表面活性位点协同作用实现完全矿化。

　　在当前环境问题日益严峻的背景下，新兴药物污染物在水体中的存在已成为全球关注的焦点。这些污染物来源于制药工业、医疗废水以及日常生活中的药物使用，具有较强的持久性和生物累积性，对生态和人类健康构成潜在威胁。特别是抗生素类药物，由于其在水体中的高稳定性，对传统的生物和物理化学处理技术具有显著的抗性，导致其在环境中不断积累，进而引发抗菌素耐药性的传播和生态风险的加剧。面对这一挑战，研究者们致力于开发高效、可重复使用的光催化剂，以实现对药物污染物的可持续去除。

光催化作为一种先进的氧化技术，因其能够产生高活性的自由基（如羟基自由基和超氧自由基）而受到广泛关注。这些自由基具有强大的氧化能力，能够无选择性地攻击并降解多种污染物，包括有机和无机物质。然而，光催化技术的实际应用受到多个因素的限制，如光能的利用率、光生电子和空穴的分离效率、催化剂表面活性位点的密度等。为了克服这些问题，研究者们进行了大量改进，包括构建异质结以促进电子迁移、贵金属或非金属掺杂以调控能带结构、以及与碳基材料结合以增强导电性和吸附能力。

在众多碳基材料中，生物炭因其丰富的孔结构、可调节的表面功能和良好的化学稳定性，成为一种极具潜力的光催化剂载体。生物炭通常通过生物质的热解或水热碳化等方法制备，不仅能够有效利用农业废弃物，还对碳管理具有积极意义。此外，生物炭具有较大的比表面积和良好的吸附性能，使其能够作为高效的吸附剂，用于去除水体中的有机和无机污染物。在光催化体系中，生物炭的作用不仅限于吸附，还能够促进光生载流子的迁移，减少电子和空穴的复合，从而提高催化剂的整体性能。

基于这一背景，本研究提出了一种新型的光催化剂——由 Rheum ribes 废料衍生的生物炭支持的 Bi?MoO? 纳米复合材料（Bi?MoO?/BC）。Rheum ribes 是一种常见的植物，其废弃物不仅来源广泛、成本低廉，而且能够提供丰富的吸附位点和良好的导电性，从而增强光催化效率。Bi?MoO? 是一种 Aurivillius 型半导体，具有较窄的能带宽度和层状结构，能够有效促进电子的分离和迁移，同时具备良好的可见光响应性和氧化能力。然而，原始的 Bi?MoO? 材料仍然存在电子-空穴复合率高和比表面积有限的问题，因此需要与具有高导电性和大比表面积的生物炭结合，以提高其在光催化反应中的性能。

本研究采用系统的方法，对 Bi?MoO?/BC 纳米复合材料的结构、形貌和表面特性进行了详细分析。X 射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了 Bi?MoO? 纳米片成功锚定在生物炭基质上，形成稳定的复合结构。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像进一步揭示了复合材料的微观结构，显示出 Bi?MoO? 纳米片均匀分布在生物炭的多孔结构中。此外，能谱分析（EDX mapping）确认了 Bi?MoO?/BC 复合材料的化学组成，表明其具有良好的元素分布和结构稳定性。

在光学和电化学特性方面，紫外-可见漫反射光谱（UV–Vis DRS）和光致发光光谱（PL）分析表明，Bi?MoO?/BC 复合材料具有更宽的可见光吸收范围和更窄的能带宽度，相较于原始的 Bi?MoO?，能够更有效地利用可见光。此外，电化学阻抗谱（EIS）和光电流响应分析进一步证明了 Bi?MoO?/BC 复合材料具有更低的电荷转移电阻和更高的光电流密度，表明其在光催化反应中能够实现更高效的电荷分离和迁移。Mott–Schottky 分析进一步验证了复合材料的电荷行为，显示出其在可见光驱动下的优异性能。

为了进一步优化 Bi?MoO?/BC 纳米复合材料的性能，本研究采用了响应面法（RSM）进行实验设计和参数优化。通过实验，研究者们确定了催化剂用量、初始污染物浓度和溶液 pH 值是影响 TC 降解效率的关键因素。在优化条件下（催化剂用量为 1 g/L，初始 TC 浓度为 20 ppm，pH 值为 6），TC 的降解效率超过了 95%，显示出该复合材料在实际应用中的巨大潜力。这一结果表明，Bi?MoO?/BC 复合材料不仅具有良好的可见光响应性，还能够实现高效的污染物去除。

此外，自由基捕获实验进一步揭示了 Bi?MoO?/BC 复合材料在 TC 降解过程中产生的主要活性物种。实验结果表明，超氧自由基（•O??）是主要的降解物种，羟基自由基（•OH）和空穴（h?）也起到了一定的作用。这种协同机制不仅促进了电子的快速迁移，还使得生物炭能够作为有效的电子受体，从而产生更多的活性自由基，最终实现 TC 的完全降解，转化为 CO? 和 H?O。这一过程表明，Bi?MoO?/BC 复合材料在光催化反应中具有良好的协同效应，能够有效提高污染物的降解效率。

在实际应用中，Bi?MoO?/BC 复合材料的优势不仅体现在其高效的光催化性能上，还在于其对环境的友好性和经济性。由于其利用了农业废弃物作为生物炭的原料，不仅实现了废物的资源化利用，还对碳管理具有积极意义。此外，生物炭的高比表面积和良好的吸附性能使其能够有效预浓缩污染物，从而提高光催化反应的效率。同时，Bi?MoO? 的氧化能力和生物炭的导电性相结合，能够促进电子的高效迁移，减少电子-空穴的复合，从而提高催化剂的整体性能。

在本研究中，Bi?MoO?/BC 复合材料的制备过程包括多个步骤，如生物炭的制备、Bi?MoO? 纳米片的合成以及两者的复合。通过热解法，研究者们成功制备了 Rheum ribes 废料衍生的生物炭，其具有丰富的孔结构和良好的导电性。随后，Bi?MoO? 纳米片通过水热法合成，并与生物炭结合，形成稳定的纳米复合材料。这一过程不仅保证了 Bi?MoO? 纳米片的均匀分布，还优化了复合材料的结构和性能。

在实际应用中，Bi?MoO?/BC 复合材料能够有效去除水体中的 TC 污染物，其降解效率超过了 95%。这一结果表明，该复合材料在可见光驱动下的光催化性能显著优于原始的 Bi?MoO? 材料。此外，该复合材料在模拟海水中也表现出良好的稳定性，显示出其在实际环境中的广泛应用潜力。这些实验结果不仅验证了 Bi?MoO?/BC 复合材料的有效性，还为未来的环境治理提供了新的思路和方法。

综上所述，本研究成功设计并制备了一种由 Rheum ribes 废料衍生的生物炭支持的 Bi?MoO? 纳米复合材料，作为高效的可见光驱动光催化剂，用于 TC 的降解。该复合材料不仅具有良好的可见光响应性和光催化性能，还能够有效去除水体中的药物污染物，实现环境的可持续治理。此外，该研究还为农业废弃物的资源化利用和环境治理技术的发展提供了新的方向和方法，具有重要的理论和实践意义。