在可见光下，SnBi@ZrC通过协同作用激活相变材料（PMS），从而提高有机污染物的去除效率

《Journal of Water Process Engineering》：Synergistic PMS activation by SnBi@ZrC under visible light for enhanced organic pollutant removal

高效可见光响应SnBi@ZrC纳米复合材料通过水热法合成，显著提升PMS活化降解罗丹明B的效率，20分钟内降解率达98.12%，并具备优异循环稳定性。

　　在当前的环境治理和工业废水处理领域，有机污染物的去除技术一直是研究的热点。随着工业的快速发展，大量有机污染物被排放到水体中，其中有机染料因其复杂的芳香结构、高稳定性和潜在毒性，成为治理中最具挑战性的污染物之一。Rhodamine B（RhB）作为一种广泛用于纺织和造纸工业的染料，已被列为优先控制污染物，因其具有致癌、致突变及引发皮肤炎、眼部和呼吸道刺激等健康风险。同时，RhB在水体中会抑制光穿透，干扰光合作用，影响水体的自然净化能力，从而对水生态系统造成威胁。因此，开发高效、经济且环保的RhB去除技术具有重要的现实意义。

传统的废水处理方法，如物理、化学和生物处理，虽然在某些情况下有效，但存在诸如对非生物降解物质降解效率低、处理时间长、后期处理复杂等问题。近年来，化学氧化技术，特别是高级氧化工艺（AOPs），因其能够生成多种反应性氧物种（ROS），对广泛类型的有机污染物进行非选择性降解，而受到关注。在这些氧化技术中，过硫酸氢盐（PMS）因其能够产生具有高氧化还原电位（2.5–3.1 V）和较长半衰期（30–40 μs）的硫酸根自由基（SO?•?），被认为是一种高效的氧化剂。然而，PMS在实际应用中通常需要借助紫外光、热能、过渡金属或光催化剂进行激活，以有效生成这些活性物质。传统的紫外光源虽然在实验室中广泛使用，但其运行成本高、能耗大，难以大规模应用。

因此，开发一种能够高效利用可见光的光催化剂成为研究的重点。可见光作为太阳辐射的主要组成部分，占约45%，而紫外光仅占4–5%。可见光驱动的光催化技术不仅能够利用太阳能，还能够减少对非可再生能源的依赖，从而降低环境影响。在此背景下，研究者们探索了多种可见光响应的催化剂，其中ZrC因其优异的电导性、化学稳定性和较窄的能带间隙（约1.66 eV），被认为是一种有潜力的光催化剂。通过将Sn和Bi引入ZrC中，形成SnBi@ZrC异质结，进一步增强了光催化性能，因为这种结构可以促进电子-空穴对的有效分离，增加活性位点的数量，并拓宽可见光吸收范围。

本研究中，SnBi@ZrC纳米复合材料通过水热法合成，并在可见光LED照射下用于PMS的活化，以高效降解有机污染物。实验结果显示，在中性pH条件下，使用0.45 g/L PMS和0.3 g/L SnBi@ZrC，RhB的去除率可达到98.12%，仅需20分钟。该系统的反应速率常数为0.198 min?1，显著高于纯ZrC的72.76%。这一结果表明，SnBi@ZrC异质结在可见光驱动的PMS活化系统中表现出优异的催化活性。

SnBi@ZrC的结构特性是其高效催化性能的关键因素之一。XRD分析显示，SnBi@ZrC具有良好的晶体结构，其衍射峰与立方ZrC的（111）、（200）、（220）、（311）和（222）晶面相对应，表明其高结晶度。此外，SnBi@ZrC中还观察到与正交SnBi（PDF #73–1859）相对应的额外峰，这表明Sn和Bi成功地整合到ZrC基体中，而没有导致结构破坏。FT-IR分析进一步验证了SnBi的引入，通过在500–1000 cm?1范围内出现的明显吸收峰，表明Sn、Bi与ZrC之间存在强相互作用。同时，SnBi@ZrC的比表面积增加至38.24 m2/g，远高于ZrC的20.35 m2/g，这有助于提高污染物的吸附和活化效率。其介孔结构（12.83 nm）也比ZrC（5.48 nm）更宽，有利于物质的扩散和反应。

在光催化性能方面，SnBi@ZrC表现出优异的反应活性和稳定性。实验表明，该催化剂在四个连续循环中仍能保持高达85.44%的RhB去除效率，说明其具有良好的重复使用性。此外，ICP-AES分析结果显示，经过四次催化循环后，仅有极微量的Zr、Sn和Bi（约0.021 mg/L、0.013 mg/L和0.011 mg/L）被释放到溶液中，进一步证明了SnBi@ZrC的化学稳定性。催化剂的回收和再利用不仅降低了处理成本，还减少了二次污染的风险。

在光催化过程中，SnBi@ZrC能够有效激活PMS，生成多种ROS，如SO?•?、•OH、O?•?和h?。这些活性物质协同作用，实现了对RhB的高效降解。通过自由基淬灭实验，研究发现SO?•?和•OH对RhB的降解起主要作用，而O?•?和h?也对氧化过程有显著贡献。这种多自由基协同作用机制不仅提高了降解效率，还增强了催化剂的氧化能力，使其能够在较短时间内将污染物矿化为无害产物，如CO?、H?O和无机产物。

SnBi@ZrC的性能优势还体现在其对不同污染物的适应能力上。实验测试了该催化剂对四环素（TC）和双酚A（BPA）的降解效果。结果显示，SnBi@ZrC对TC的降解效率为77.95%，对BPA的降解效率为54.89%，尽管低于RhB的98.12%，但仍显示出其在处理多种有机污染物方面的潜力。这表明，SnBi@ZrC不仅适用于RhB的降解，还能有效处理其他结构复杂的有机污染物，为实际废水处理提供了更广泛的应用前景。

此外，研究还探讨了不同水矩阵对SnBi@ZrC催化性能的影响。在纯水（DI water）中，RhB的去除效率最高（98.12%），而在湖泊水和河水中的去除效率分别为79.97%和54.89%。这种差异主要归因于天然有机物和无机离子对ROS的竞争吸附。尽管如此，SnBi@ZrC在天然水体中仍表现出良好的催化活性，显示出其在复杂水环境中的适用性。这一发现为该催化剂在实际污水处理中的应用提供了理论依据。

SnBi@ZrC的结构设计不仅提高了其对可见光的响应能力，还优化了其对PMS的活化效率。其较窄的能带间隙（1.63 eV）有助于吸收更多的可见光，从而促进电子-空穴对的生成。同时，SnBi@ZrC的多孔结构和高比表面积为污染物和PMS分子的吸附和反应提供了有利条件。研究还指出，Bi3?/Bi??的氧化还原循环在PMS活化过程中起到了关键作用，这种循环能够促进电荷转移，提高ROS的持续生成能力。

从实际应用角度来看，SnBi@ZrC不仅具备高效的降解能力，还具有良好的稳定性和重复使用性。这使其在工业废水处理中具有显著优势，尤其是在需要长期运行和频繁处理的场景中。此外，该催化剂在可见光下的反应效率远高于紫外光，这不仅降低了能源消耗，还减少了对环境的负面影响。因此，SnBi@ZrC被视为一种有潜力的新型光催化剂，可用于处理含有机染料和新兴污染物的废水。

综上所述，本研究通过合成SnBi@ZrC纳米复合材料，结合可见光LED照射和PMS活化，构建了一种高效的光催化降解体系。实验结果表明，该体系在短时间内实现了对RhB的高效去除，并展现出良好的稳定性与重复使用性。其多孔结构、窄带隙以及Bi和Zr的协同作用，使得SnBi@ZrC在可见光驱动的PMS活化系统中表现出卓越的性能。这一成果不仅为有机污染物的治理提供了新的思路，也为开发低成本、高效率的环保技术奠定了基础。未来，进一步优化催化剂的结构和性能，以及探索其在实际水处理中的应用，将是推动这一技术走向产业化的关键方向。