基于多晶石墨的TiO?/C?N?异质结光催化剂：合理设计及其对磺胺甲噁唑的光降解性能提升

《Optical Materials》：Polycrystalline Graphite-Based TiO 2/C 3N 4 Heterojunction Photocatalysts: Rational Design and Enhanced Photodegradation of Sulfamethoxazole

光催化降解磺胺甲噁唑，TiO?/g-C?N?杂化催化剂，多晶石墨，Z型异质结，电荷分离效率，可见光响应，活性物种（h?/•O??），反应机理，环境污染物治理|

　　在当今环境污染日益严峻的背景下，抗生素等有机污染物的治理已成为一个亟需解决的问题。特别是在水处理领域，某些抗生素因其化学稳定性强、生物降解性差而具有显著的环境持久性，对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。其中，磺胺甲噁唑（SMX）作为一种广泛使用的广谱磺胺类抗生素，因其对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有较强的抗菌活性，被广泛应用于临床治疗。然而，SMX在自然水体中表现出较强的抗降解性，其残留浓度在不同水体中可达12至2500 ng/L，这表明其在环境中具有较强的扩散能力和长期存在风险。因此，开发一种高效、环保且经济的SMX去除技术具有重要意义。

传统的SMX去除方法，如化学氧化、生物降解和物理吸附，虽然在一定程度上能够处理水体中的抗生素，但普遍存在去除效率低、易产生二次污染或运行成本高等问题。这促使科研人员不断探索更为先进的处理技术，以应对抗生素污染带来的挑战。在众多新型技术中，基于半导体光催化的方法因其温和的反应条件、高效的污染物矿化能力以及对太阳能的潜在利用而受到广泛关注。光催化技术的核心在于利用半导体材料在光照条件下产生的电子-空穴对，通过氧化还原反应降解污染物，实现高效净化。

为了提升光催化材料的性能，研究人员尝试了多种策略，如构建异质结结构、引入掺杂元素等。其中，异质结结构的构建被认为是提高光催化效率的有效手段。通过将两种具有不同能带结构的半导体材料结合，可以促进光生电子和空穴的有效分离，减少其在材料内部的复合概率，从而提高光催化反应的效率。此外，引入具有优良导电性和稳定性的碳基材料，如石墨烯或多孔石墨（PG），也被认为是优化光催化性能的重要途径。这些材料不仅能够改善光催化体系的电子传输特性，还可能拓宽其光响应范围，使其能够更有效地利用可见光。

基于上述背景，本文提出了一种新型的多孔石墨基TiO?/g-C?N?异质结光催化剂（TiO?/CN-PG）。该催化剂采用沉淀法和煅烧法相结合的方式制备，以四丁基钛酸酯和三聚氰胺为前驱体，并将多孔石墨作为添加剂引入。实验结果显示，TiO?/CN-PG催化剂在结构和性能方面均优于原始的g-C?N?和TiO?。具体而言，其表现出更优异的光生载流子分离效率、更宽的可见光吸收范围以及更低的电荷转移电阻。这些特性使得TiO?/CN-PG在模拟太阳光照射下展现出显著的SMX降解能力，其中TiO?/CN-PG-7样品在90分钟内实现了约89%的SMX去除效率，远超原始材料的性能。这一结果表明，通过构建异质结结构并引入多孔石墨，可以有效提升光催化剂的活性，从而实现对环境污染物的高效治理。

在光催化反应过程中，反应活性物种的生成和作用机制是影响降解效率的关键因素。通过自由基捕获实验和电子顺磁共振（EPR）技术，研究人员确认了h?（空穴）和•O??（超氧自由基）是SMX降解的主要活性物种。这为理解TiO?/CN-PG催化剂的反应机制提供了重要的实验依据。结合液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析，研究团队进一步提出了一个合理的光催化反应机制。该机制表明，在光照条件下，TiO?/CN-PG催化剂能够高效地产生和捕获活性物种，进而实现对SMX分子的氧化降解。这种机制不仅揭示了催化剂的反应路径，还为后续材料设计和性能优化提供了理论支持。

此外，TiO?/CN-PG催化剂的制备方法具有一定的可操作性和经济性。通过沉淀法和煅烧法，研究人员能够在可控的条件下合成出具有特定结构和性能的催化剂。该方法避免了复杂的合成步骤和昂贵的原料，为大规模生产和实际应用提供了可行性。同时，多孔石墨作为一种低成本、来源广泛的材料，其引入不仅提升了催化剂的性能，还降低了整体的制备成本，使得该技术更具推广价值。

从材料的微观结构来看，TiO?/CN-PG催化剂表现出独特的形貌特征。透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）分析显示，该催化剂具有松散且多孔的结构，这为其提供了更大的比表面积和更多的活性位点。相比原始的g-C?N?，其表面更加粗糙，呈现出大尺度的片状聚集结构，而TiO?/CN-PG-7样品则展现出更显著的结构变化，表明多孔石墨的引入对催化剂的微观结构产生了积极影响。这种结构优化不仅有助于提高催化剂的光吸收能力，还能够促进反应活性物种的扩散和迁移，从而提升整体的降解效率。

在光催化性能的评估中，研究团队采用了多种表征手段，包括光电化学性能测试、光催化降解实验等。实验数据表明，TiO?/CN-PG催化剂在可见光照射下表现出良好的光响应能力和高效的SMX降解能力。与原始材料相比，其不仅在降解速率上有了显著提升，还能够有效减少反应过程中产生的副产物，降低二次污染的风险。这一发现为光催化技术在实际水处理中的应用提供了新的思路和方向。

值得注意的是，尽管TiO?/CN-PG催化剂表现出优异的性能，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，催化剂的稳定性、循环使用能力以及在复杂水体中的适用性等都需要进一步研究。此外，如何在保证催化效率的同时，降低催化剂的制备成本和提高其可回收性，也是未来研究的重要方向。这些挑战不仅关系到催化剂的实际应用效果，还直接影响其在环保领域的推广前景。

在实验过程中，研究人员还对不同比例的TiO?/CN-PG催化剂进行了系统的性能对比。结果表明，当TiO?与g-C?N?的比例为7:3时，催化剂的性能达到最佳状态。这说明，在构建异质结结构时，材料的比例优化对于提升催化效率至关重要。同时，实验还揭示了多孔石墨在催化剂体系中的重要作用，其不仅能够改善催化剂的物理结构，还可能通过其导电性促进电子的高效传输，从而进一步提升催化活性。

从环境和可持续发展的角度来看，TiO?/CN-PG催化剂的开发具有重要的现实意义。该催化剂利用太阳能作为驱动能源，减少了对传统能源的依赖，符合绿色化学和可持续发展的理念。此外，其材料来源广泛、成本低廉，能够实现大规模生产和应用，为解决抗生素污染问题提供了一种经济可行的解决方案。这种技术不仅适用于污水处理，还可能拓展到其他污染物的治理领域，具有广阔的应用前景。

总之，本文通过设计和合成一种新型的多孔石墨基TiO?/g-C?N?异质结光催化剂，为抗生素污染的治理提供了新的思路和方法。该催化剂在可见光条件下表现出优异的SMX降解能力，其结构优化和性能提升为光催化技术的发展注入了新的活力。未来，随着对催化剂性能的进一步研究和优化，以及对实际应用环境的深入分析，TiO?/CN-PG催化剂有望成为解决抗生素污染问题的重要工具，为实现环境的可持续治理贡献力量。