《Journal of Water Process Engineering》：Biphasic synthesis of Pd/Ovs-TiO? (black) for efficient moxifloxacin degradation and toxicity mitigation
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光催化材料Pd/Ovs-TiO?（Black）通过氧空位形成和钯掺杂协同作用，显著提升可见光下莫西沙星降解效率达100%，同步降低其毒性81.44%-85.31%，并保持多循环稳定性。
穆罕默德·伊姆兰·坎贾尔（Muhammad Imran Kanjal）|伊拉姆·亚斯明（Iram Yasmin）|赛义德·卡希夫·阿里（Syed Kashif Ali）|穆罕默德·瓦西姆·阿夫扎尔（Muhammad Wasim Afzal）|穆罕默德·伊尔凡·阿哈迈德（Muhammad Irfan Ahamad）|穆罕默德·A·哈比布（Mohamed A. Habib）|艾哈迈德·B.M.易卜拉欣（Ahmed B.M. Ibrahim）|拉纳·穆罕默德·祖尔卡纳因（Rana Muhammad Zulqarnain）
河南大学化学与化学工程学院多金属氧酸盐化学重点实验室，中国河南省开封市，475004
摘要
药物污染物，特别是像莫西沙星这样的抗生素，对环境和健康构成了重大风险，因为传统的水处理技术往往无法完全降解这些污染物。本研究介绍了一种创新的光催化剂——掺钯的氧空位改性TiO?（Pd/Ovs-TiO?（Black）），采用了一种新的双相策略合成。在TiO?中引入氧空位可以增强其对可见光的吸收和光催化效率，而钯的掺杂则稳定了这些空位，优化了载流子的分离并减少了复合现象。这不仅实现了卓越的降解效率，还为日益严重的药物毒性问题提供了新的解决方案。Pd/Ovs-TiO?（Black）光催化剂在可见光下90分钟内实现了100%的莫西沙星降解率和75.45%的总有机碳（TOC）去除率，其中超氧阴离子（•O??）和羟基（•OH）自由基等活性氧物种驱动了降解过程。此外，它还有效降低了莫西沙星的毒性，使溶血活性降低了81.44%，对卤虫的致死性降低了85.31%，致突变性降低了79.51%，为高效降解和环境解毒提供了综合解决方案。Pd/Ovs-TiO?（Black）光催化剂表现出显著的稳定性，在多次循环中仍保持其光催化效率，确保了其长期使用的可行性。这项工作为可持续的水净化技术树立了新的标杆，展示了光催化剂如何同时解决污染物降解和毒性缓解问题，为药物废物处理提供了环保且有效的解决方案。
引言
水体中持续存在的药物污染物污染，尤其是像莫西沙星这样的抗生素，已成为一个重大的环境问题[[1], [2], [3]]。这些污染物导致了耐抗生素细菌的增加，并破坏了水生生态系统，即使是在微量浓度下也对海洋生物构成威胁[[4], [5], [6]]。虽然传统的水处理方法在某种程度上有效，但往往无法完全消除这些药物残留物，这突显了需要更高效和可持续的水净化解决方案的紧迫性[[7], [8], [9]]。光催化是一种利用催化剂吸收光来驱动通常需要高能量或高温的化学反应的过程，因此被视为一种有前景的解决方案[[10]]。当TiO?等光催化剂暴露在光下时，会生成活性氧物种（ROS），包括羟基（•OH）和超氧阴离子（•O??）自由基。这些ROS具有高度反应性，能够分解各种有机污染物，使得光催化成为水和空气净化的宝贵技术[[11]]。然而，由于TiO?的宽带隙，其光催化活性主要限于紫外线（UV）光，这限制了其实际应用。为了克服这一限制，可以采用多种策略来增强TiO?的光催化活性。这些策略包括金属和非金属掺杂（例如Pd、Pt、N、S），这可以缩小带隙并将光吸收扩展到可见光谱[[12]]。此外，与其他半导体的异质结形成或掺入金（Au）和银（Ag）等贵金属可以诱导等离子体效应，进一步改善光吸收和电荷转移，从而提高光催化性能。这些改性显著提升了TiO?在环境应用中的潜力，例如在可见光下去除污染物[[13]]。一种特别有前景的方法是引入氧空位，这可以缩小TiO?的带隙，改善其光吸收，并创建促进电荷分离的活性位点[[14]]。之前的研究，如刘等人的研究[[15]]和亨萨瓦德等人的研究[[16]]，已经研究了掺钯的TiO?在污染物降解中的应用，但这些研究主要关注紫外线光，并未解决毒性降低的问题——这是可持续水净化的一个关键方面。此外，潘和徐的研究[[17]]以及邓等人的研究[[18]]讨论了基于Pd的TiO?在环境应用中的用途，但未强调氧空位的稳定性或药物污染物毒性的同时降低。我们的研究介绍了通过双相方法合成的Pd/Ovs-TiO?（Black）光催化剂，它不仅在可见光下提高了降解效率，还稳定了氧空位，解决了电荷复合的关键问题[[19], [20], [21]]。值得注意的是，我们的催化剂还显著降低了莫西沙星的毒性，为污染物降解和环境解毒提供了综合解决方案，填补了文献中的重要空白。Pd/Ovs-TiO?（Black）的能力为推进光催化技术提供了有希望的途径，为对抗药物污染及其环境和健康影响提供了有效手段。
空位氧TiO?的制备
采用了[22]中描述的方法来合成含有氧空位的TiO?，但稍作修改。首先，将4.0克TiO?（P25）与1.5克NaBH?混合，并彻底研磨30分钟以确保均匀性。然后将混合物转移到瓷舟中，并在惰性气氛下的管式炉中进行热处理。炉子从室温逐渐加热到350°C至400°C的目标温度，升温速率为5°C/分钟。
光催化剂的形态
图1通过各种电子显微镜技术详细展示了TiO?、Ovs-TiO?（Black）和Pd/Ovs-TiO?（Black）的形态和结构特征。SEM图像（A-C）显示了颗粒形态的明显差异。图1（TiO?）显示了典型的聚集且不规则的颗粒结构，这是TiO?（P25）的特征。这种形态限制了材料的有效表面积，可能影响其在实际应用中的光催化效率。
结论
本研究成功地对TiO?进行了氧空位和钯的改性，显著提高了其降解莫西沙星的光催化性能。这种新颖的双相光沉积策略不仅通过将TiO?的光吸收扩展到可见光谱来提高其光催化效率，还通过钯掺杂稳定了氧空位，这对改善载流子分离起着关键作用。
CRediT作者贡献声明
穆罕默德·伊姆兰·坎贾尔（Muhammad Imran Kanjal）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
伊拉姆·亚斯明（Iram Yasmin）：可视化处理。
赛义德·卡希夫·阿里（Syed Kashif Ali）：实验研究。
穆罕默德·瓦西姆·阿夫扎尔（Muhammad Wasim Afzal）：概念构思。
穆罕默德·伊尔凡·阿哈迈德（Muhammad Irfan Ahamad）：实验研究。
穆罕默德·A·哈比布（Mohamed A. Habib）：项目管理。
拉纳·穆罕默德·祖尔卡纳因（Rana Muhammad Zulqarnain）：正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, IMSIU）科学研究处的支持和资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2502）。
