由LaFeO?中的A位缺陷与二维BiOCl纳米片共同形成的核壳结构，实现了对环丙沙星的高效光催化降解：对其性能和机制的深入研究

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：A core-shell structure formed by A-site defects in LaFeO 3/two-dimensional BiOCl nanosheets for highly efficient photocatalytic degradation of ciprofloxacin: Insights into performance and mechanism

采用A位缺陷LaFeO3为核、二维BiOCl纳米片为壳构建Z型异质结光催化剂，测试不同缺陷量（0.7B-50、0.7B-100、0.7B-150）对环丙沙星（CIP）降解性能的影响。0.7B-100在无活化剂条件下60分钟降解率达88.9%，是单一材料的1.7-2.4倍，循环稳定性良好（6次后79.8%），铁离子溶出率低（TOC矿化率68%），并表现出优异的酸碱耐受性。通过XRD、XPS、SEM、TEM、UV-Vis DRS及BET表征证实异质结结构有效抑制载流子复合、拓宽光吸收范围并增强活性位点暴露。

　　在当前的水污染治理研究中，抗生素残留物已成为一个亟需解决的问题。其中，环丙沙星（CIP）作为一种广泛应用的抗菌药物，其在水体中的存在不仅对生态环境造成威胁，还可能对人体健康产生不良影响。CIP的长期积累不仅可能导致水体富营养化，还可能通过食物链进入人体，进而引发耐药性细菌的传播。因此，开发一种高效、稳定且环保的光催化降解技术对于解决这一问题具有重要意义。传统的水处理方法如生物降解、活性炭吸附和混凝等，虽然在一定程度上能够去除污染物，但往往伴随着高能耗、高运营成本以及二次污染的风险，难以满足现代水处理对绿色、可持续技术的需求。在此背景下，半导体光催化技术因其无毒、无害、高效且资源丰富等优势，被认为是未来水污染治理的重要方向之一。

光催化技术的核心在于利用半导体材料在光照下产生的电子-空穴对，通过氧化还原反应将污染物分解为无害的产物。然而，传统半导体材料在实际应用中面临诸多挑战，如光生载流子的快速复合、光响应范围狭窄以及材料易聚集等问题，限制了其催化效率和稳定性。为克服这些缺陷，研究人员从多个角度对半导体材料进行了改性，包括缺陷设计、形貌调控以及与其他材料的复合。例如，通过引入缺陷可以有效调节材料的能带结构，增强其对可见光的响应能力；而通过改变材料的形态，如构建二维结构，有助于提高其比表面积和活性位点的暴露程度，从而提升催化性能。

在众多研究中，A位点缺陷的氧化镧铁（LaFeO?）因其优异的物理化学性质而受到广泛关注。LaFeO?属于ABO?型氧化物，具有较高的热稳定性和结构稳定性，同时其合成工艺相对简单，储量丰富，具备良好的应用前景。然而，由于其光生载流子复合速率较快，导致其在实际应用中的催化效率受限。为改善这一状况，研究者们通过引入缺陷结构，如A位点缺陷，可以有效调节材料的电子结构，降低载流子复合速率，提高其光催化活性。此外，LaFeO?的能带结构也可通过改性进一步优化，使其能够更有效地利用可见光。

与此同时，二维结构的氧化铋氯（BiOCl）纳米片因其独特的层状结构和优异的光催化性能而备受青睐。BiOCl具有较低的毒性、良好的化学稳定性和成本效益，是一种理想的光催化剂。其层状结构中的{Bi?O?}2?层与Cl?层之间的电场可以促进光生载流子的分离，从而提高催化效率。此外，通过调控其能带结构，如引入氧空位或卤素掺杂，可以进一步拓展其光响应范围，使其在可见光甚至紫外光下均表现出良好的催化活性。这些改性手段不仅提升了BiOCl的性能，还为其在实际水处理中的应用提供了更多可能性。

在本研究中，我们提出了一种创新的策略，即通过构建Z型异质结的核壳结构，将A位点缺陷的LaFeO?作为核，以二维BiOCl纳米片作为壳层，从而实现对CIP的高效降解。该结构的设计旨在通过异质结界面的电荷转移效应，优化光生载流子的分离与迁移路径，提高材料的整体催化效率。同时，通过引入缺陷结构和二维纳米片，我们还期望能够提升材料的比表面积和活性位点密度，使其在可见光条件下具有更高的降解能力。

为了实现这一目标，我们采用了一种基于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和乙二醇（EG）作为模板剂的两步水热法。这种方法不仅能够精确控制LaFeO?的缺陷程度，还能有效引导BiOCl纳米片的生长方向，使其在LaFeO?表面形成有序的二维结构。实验结果表明，通过这种方法合成的0.7B-100样品在无任何活化剂的情况下，能够在60分钟内实现对CIP的88.9%的降解率，显著高于传统的LaFeO?和BiOCl材料。这一成果不仅展示了异质结结构在提升光催化性能方面的潜力，还为开发新型高效的光催化剂提供了新的思路。

此外，我们还对材料的稳定性进行了系统评估。实验数据显示，0.7B-100在6次循环使用后，其降解效率仍保持在79.8%以上，表明该材料具有良好的可重复使用性。同时，其铁离子的溶出率非常低，说明材料在降解过程中不会产生大量有害副产物，从而避免了二次污染的问题。这为该材料在实际水处理中的应用提供了重要保障。在极端环境下，如强碱性条件下，0.7B-100依然表现出优异的降解性能，其降解效率达到77.1%，在弱碱性条件下则为80%。这一特性使得该材料在面对复杂水质条件时仍能保持较高的催化活性。

为了深入理解该材料的性能来源，我们对其物理化学性质进行了系统的表征分析。通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）测试，我们确认了材料的晶体结构和元素组成，验证了其异质结结构的形成。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的观察结果进一步揭示了材料的微观形貌，表明BiOCl纳米片能够均匀地覆盖在LaFeO?核表面，形成稳定的核壳结构。紫外-可见漫反射光谱（UV–vis DRS）分析显示，该材料的光响应范围显著拓宽，能够有效利用可见光进行催化反应。电化学测试则证实了其优异的光电性能，包括良好的载流子迁移能力和稳定的电荷分离效率。

从环境适应性的角度来看，0.7B-100材料不仅在常规条件下表现出优异的催化性能，还能够在不同的pH环境中保持较高的降解效率。这一特性使其在实际应用中更具优势，尤其是在处理工业废水或生活污水等复杂水体时。同时，该材料的高比表面积和多孔结构也有助于提高其对污染物的吸附能力，从而增强其整体降解效果。这些优势表明，0.7B-100材料在水污染治理中具有广阔的应用前景。

在实际应用中，光催化材料的稳定性与可重复使用性是衡量其性能的重要指标。本研究中的0.7B-100材料在多次循环使用后仍能保持较高的降解效率，这不仅减少了材料的更换频率，也降低了长期运行的成本。同时，其低铁离子溶出率意味着在降解过程中不会释放大量金属离子，避免了对水体的二次污染。这些特性使得该材料在实际水处理系统中具备较高的可行性。

此外，该材料的光催化性能在强碱性条件下依然表现出色，这表明其在处理不同类型的废水时具有较强的适应能力。强碱性环境通常会对光催化材料的结构和性能产生不利影响，但0.7B-100材料的稳定性和高效性使其能够在这些条件下仍保持较高的降解效率。这一发现对于开发适用于多种水质条件的光催化材料具有重要意义。

本研究的成果不仅为抗生素废水的处理提供了新的解决方案，也为光催化材料的设计与优化提供了理论依据和实验支持。通过构建异质结结构，我们成功提升了材料的光响应能力、载流子分离效率以及环境适应性，使其在可见光条件下表现出优异的催化性能。这些研究结果表明，基于异质结结构的光催化材料在水污染治理领域具有广阔的应用前景。

综上所述，本研究通过设计A位点缺陷的LaFeO?作为核，构建了具有Z型异质结的核壳结构，显著提升了材料的光催化性能。实验结果表明，该材料在无任何活化剂的情况下能够高效降解CIP，且具有良好的稳定性和可重复使用性。这些特性使其在实际水处理中具备较高的可行性。未来的研究可以进一步探索该材料在其他污染物降解中的应用潜力，同时优化其合成工艺，以提高其生产效率和经济性。此外，结合其他先进的水处理技术，如膜分离或高级氧化工艺，可能有助于开发更加高效的水污染治理系统。通过持续的科研努力，相信基于异质结结构的光催化材料将在水环境治理中发挥越来越重要的作用。