通过使用一维/一维ZnWO?/ZnO S结构异质体制备的过氧化单硫酸盐活化方法，显著提升了抗生素的压电光催化性能

《Applied Surface Science Advances》：Significantly enhanced piezo-photocatalytic performance of antibiotics by peroxymonosulfate activation using a 1D/1D ZnWO 4/ZnO S-scheme heterostructure

通过超声振动和可见光照射协同作用，采用两步法成功制备了ZnWO4/ZnO异质结构催化剂。该催化剂在过硫酸盐（PMS）辅助下表现出优异的四环素降解性能，8% ZnO负载量时（ZWZ-8）在80分钟内实现91.8%去除率，显著提升载流子分离效率，为废水处理提供新策略。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的复合催化剂，以提高对四环素（TC）等抗生素污染物的去除效率。随着抗生素在医疗和畜牧业中的过度使用，其残留物不断进入地表水、地下水及各类环境中，导致TC浓度持续上升。由于TC结构稳定、难以生物降解且溶解性高，超过75%的TC会积累在水体中，使其成为水污染的重要污染物之一。此外，高浓度的TC残留不仅直接威胁人类健康，还对自然生态系统造成严重破坏，甚至可能通过生物链传递至人类体内。因此，寻找一种高效、可靠且环保的抗生素去除方法成为环境治理领域的重点。

传统的抗生素去除方法，如物理吸附、生物降解和絮凝等，虽然在一定程度上可以应用，但它们存在诸如二次污染、效率低下和选择性差等固有缺陷。相比之下，半导体光催化技术因其温和的反应条件、高能效、良好的矿化能力和环境友好性而受到广泛关注。然而，单一的光催化技术仍面临能量强度低、穿透深度短和量子效率低等问题，导致抗生素去除效果不够理想。因此，需要探索更有效的策略来提升催化性能。

在这一背景下，压电催化技术作为一种利用机械应力（如超声波振动）进行催化的方法，展现出良好的前景。压电催化剂内部产生的极化电场可以有效促进激发态电子与空穴的分离，从而生成多种活性物质（如O??和·OH）。基于此，压电-光催化技术将压电催化与光催化相结合，能够同步将太阳能和自然机械能转化为化学能，具备高能量强度、高质量传递率和内置的清洁界面等优势。因此，压电-光催化技术在抗生素去除方面表现出显著的性能提升，归因于光催化与压电催化之间的协同效应。

锌钨酸锌（ZnWO?）是一种典型的n型三元氧化物半导体，其禁带宽度约为3.5 eV。近年来，ZnWO?因其优异的化学稳定性和环境友好性被广泛应用于有机染料的光催化去除研究。然而，单一的ZnWO?只能被紫外光激活，并且在催化过程中面临光激发载流子的快速复合和低量子效率的问题。因此，需要开发新的策略来提高ZnWO?基催化剂的性能，以增强光激发载流子的迁移率和有机污染物的去除效率。

另一方面，氧化锌（ZnO）作为一种具有优良压电效应和化学稳定性的代表性压电催化剂，被成功用作共催化剂，构建异质结构的压电-光催化剂，从而实现对有害污染物的高效去除。特别是之前的研究表明，ZnO纳米棒在去除酸性橙7等染料时表现出显著的压电-光催化性能，进一步验证了纳米棒结构在提升压电效应和载流子分离效率方面的优势。受此启发，构建具有纳米棒结构的ZnWO?-ZnO异质结复合材料，有望实现对抗生素污染物的高效去除。

本研究设计了一种1D/1D ZnWO?-ZnO S-方案异质结构的压电-光催化剂，并采用一步水热合成结合后续煅烧的方法，通过在ZnWO?纳米棒表面原位生长ZnO短纳米棒，形成类似树枝状的形态结构。在超声波振动和可见光共同作用下，评估了ZnWO?-ZnO复合材料对TC污染物的压电-光催化去除效果。结果表明，这种1D/1D结构的复合材料表现出显著更高的去除效率。在PMS（过氧化硫酸）活化辅助下，ZnWO?-ZnO复合材料（ZWZ-8）的压电-光催化效率进一步提升，仅需80分钟即可达到等效的去除率。据我们所知，这是首次对1D/1D ZnWO?-ZnO S-方案压电-光催化剂进行合成与性能研究，并结合PMS活化进行分析。

为了深入理解ZnWO?-ZnO复合材料的性能提升机制，我们从实验结果和密度泛函理论（DFT）计算两方面进行了分析。实验结果表明，通过构建S-方案异质结构，能够有效促进载流子的转移，并提高TC的去除效率。DFT计算进一步揭示了ZnWO?-ZnO复合材料中载流子转移的具体路径和机制。结合这些结果，我们得出结论：S-方案异质结构在提升载流子分离效率和促进活性物质生成方面具有重要作用，从而显著提高了TC的去除性能。

此外，ZnWO?-ZnO复合材料的形态结构和表面性质对其催化性能具有重要影响。通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等手段，观察到ZnWO?-ZnO异质结构具有独特的树枝状形态，这种结构不仅增加了材料的比表面积，还为载流子的迁移提供了更有效的通道。同时，X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等分析手段进一步证实了ZnWO?-ZnO复合材料的晶体结构和化学组成，为理解其催化机制提供了重要依据。

在光学性能方面，ZnWO?-ZnO复合材料表现出良好的可见光响应能力。通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析，发现其在可见光区域具有较高的光吸收能力，这为在可见光条件下进行光催化反应提供了基础。此外，通过光致发光光谱（PL）和电化学阻抗谱（EIS）等手段，进一步验证了ZnWO?-ZnO复合材料在光催化过程中载流子的高效分离和迁移，为理解其优异的催化性能提供了重要支持。

从实际应用角度来看，ZnWO?-ZnO复合材料在废水处理中展现出广阔的应用前景。随着工业废水排放量的增加，抗生素残留物对环境的影响日益严重。因此，开发高效、环保的抗生素去除技术具有重要的现实意义。本研究提出的1D/1D ZnWO?-ZnO S-方案异质结构催化剂，不仅在可见光和超声波共同作用下表现出优异的催化性能，而且在PMS活化辅助下进一步提升了去除效率，这为抗生素废水处理提供了一种新的解决方案。

在研究过程中，我们还对ZnWO?-ZnO复合材料的合成条件进行了优化。通过调整水热反应的时间、温度和pH值，获得了不同比例的ZnO负载量的复合材料，并评估了其对TC去除效率的影响。结果表明，当ZnO负载量为8%时，ZnWO?-ZnO复合材料（ZWZ-8）表现出最高的去除效率（91.8%）。这一结果进一步验证了ZnO负载量对催化性能的影响，为后续的材料优化提供了重要参考。

在实验过程中，我们还对ZnWO?-ZnO复合材料的催化机制进行了深入分析。通过实验数据和理论计算相结合，揭示了ZnWO?-ZnO异质结构在光催化和压电催化过程中如何协同作用，提高载流子的分离效率和活性物质的生成能力。同时，我们还对ZnWO?-ZnO复合材料在PMS活化下的反应路径进行了研究，发现PMS活化能够显著促进活性物质的生成，从而提高TC的去除效率。

本研究不仅在实验层面验证了ZnWO?-ZnO复合材料的优异催化性能，还在理论层面对其催化机制进行了深入探讨。通过实验数据和DFT计算相结合，我们得出结论：ZnWO?-ZnO异质结构能够有效促进载流子的分离和迁移，从而提高催化效率。此外，ZnWO?-ZnO复合材料的树枝状形态结构为载流子的高效迁移提供了有利条件，进一步增强了其催化性能。

在实际应用中，ZnWO?-ZnO复合材料展现出良好的稳定性，能够适应多种废水处理条件。通过实验验证，ZnWO?-ZnO复合材料在可见光和超声波共同作用下表现出优异的催化性能，并且在PMS活化辅助下进一步提升了去除效率。这表明，ZnWO?-ZnO复合材料不仅适用于实验室研究，还具有良好的工程应用潜力。

综上所述，本研究成功构建了一种具有树枝状结构的1D/1D ZnWO?-ZnO S-方案异质结构催化剂，并通过实验验证了其在可见光和超声波共同作用下对TC污染物的高效去除能力。同时，结合PMS活化，进一步提升了其催化性能。通过实验数据和理论计算相结合，我们深入分析了ZnWO?-ZnO复合材料的催化机制，揭示了其在光催化和压电催化过程中如何协同作用，提高载流子的分离效率和活性物质的生成能力。本研究提出的策略为开发新型复合压电-光催化剂提供了重要参考，同时也为抗生素废水处理提供了一种高效、环保的新方法。