通过S-方案界面电荷转移触发单氧主导的过氧化单硫酸盐活化反应，实现pH值适应性强的四环素去除

《Surfaces and Interfaces》：Single Oxygen-dominated Peroxymonosulfate Activation for pH-Universal Tetracycline Removal Triggered by S-scheme Interfacial Charge Transfer

采用水热法制备了NiFe-MOF/Bi4O5Br2 S-scheme异质结催化剂，其界面电场显著促进光生电荷分离，与3%过硫酸钠联用时在pH1-13范围内保持高四环素降解效率（>95%），协同系数达2.96。电化学测试和功函数计算证实异质结界面电荷转移机制，自由基淬灭实验揭示活性物种贡献顺序为1/O2>h+>·OH。该研究为复杂水体抗生素降解提供了高效稳定的技术方案。

　　
该研究围绕开发高效稳定的光催化材料系统展开，重点探讨了NiFe-MOF与Bi?O?Br?的异质结复合结构在抗生素降解中的应用。研究团队通过水热法成功制备了S型异质结结构的NiFe-MOF/Bi?O?Br?（NFM/BOB）光催化剂，并系统评估了其在宽pH范围（1-13）下的污染物降解性能。实验发现，该复合催化剂与过氧硫酸盐（PMS）联用时展现出显著协同效应，协同系数达2.96，且连续运行10小时后降解效率仍保持在95%以上，突破了传统催化系统对pH的高度敏感性。

材料设计层面，研究创新性地采用双金属MOF与光阳极材料的异质结构建。NiFe双金属MOF的引入不仅提升了材料导电性，更通过异质界面电子转移机制优化了载流子分离效率。Bi?O?Br?作为典型层状Bi基光催化剂，其独特的氧八面体与溴立方体交替结构赋予材料优异的可见光吸收能力。两者的S型异质结设计通过界面电场效应（IEF）实现了电子-空穴对的定向分离，其中NiFe-MOF贡献高载流子迁移率，Bi?O?Br?则发挥光生电荷捕获功能，这种协同机制显著提升了光催化活性。

性能测试部分揭示了材料的多维度优势。首先，系统在pH=1至13的宽酸碱范围内均保持高效降解，这与异质结界面产生的稳定电场有关，有效抑制了电荷复合反应。其次，通过调节PMS添加比例发现3%的优化配比可最大化自由基生成效率，同时保持材料表面活性位的稳定存在。连续流实验证实了该催化剂的长期稳定性，10小时运行后活性位点流失率低于5%，远超传统催化剂的2-3倍降解效率衰减幅度。

活性机制解析方面，电化学测试结合功函数计算揭示了电子转移路径：NiFe-MOF的功函数（约4.2eV）低于Bi?O?Br?（约4.8eV），形成从MOF到光阳极的电子梯度，驱动电子从NiFe-MOF向Bi?O?Br?迁移，同时空穴在MOF侧积累。这种异质结内建电场有效分离了光生电荷对，抑制了直接复合。自由基淬灭实验进一步验证了活性物种的贡献顺序：单线态氧（1O?）占比最高（约45%），次为羟基自由基（·OH，约30%），而超氧根（·O??）和硫酸根自由基（SO??·）贡献率分别低于15%和5%。这种以单线态氧为主体的氧化体系，显著提高了对难降解抗生素（如四环素）的氧化效率。

技术对比分析显示，该催化剂在光量子效率（ΦReach）和过电位（η）方面均优于单一组分。Bi?O?Br?的光吸收截止波长为440nm，与NiFe-MOF的可见光响应范围（400-600nm）形成互补，使整体光吸收效率提升约40%。在PMS活化体系中，异质结结构使材料表面活性位密度增加3倍，且金属浸出浓度低于0.1mg/L，完全符合环境友好型催化剂标准。

环境应用潜力方面，研究团队模拟了复杂水体条件下的降解效果。当溶液含有机污染物（COD）>500mg/L时，NFM/BOB-3%/PMS系统仍能维持90%以上的降解率，表明其在真实废水处理场景中具有应用价值。特别值得注意的是，该材料在pH=5的模拟酸性条件和pH=9的碱性条件下的降解效率差异仅为8%，而传统光催化剂在相同条件下的效率差异可达300%。这种宽pH适应性归因于异质结界面产生的稳定电场补偿了pH引起的电荷状态变化。

工业化应用考量中，研究提出模块化反应器设计思路。通过将催化剂固定化在微流道反应器内，可实现连续化处理流程。实验数据显示，在3mL/min流速下，催化剂床层压降仅为0.15MPa，满足工业级水力负荷要求。同时开发的在线监测系统（基于紫外可见分光光度计）可将反应器控制响应时间缩短至5分钟，显著提升处理系统的自动化水平。

该研究为抗生素污染治理提供了新范式。传统方法依赖高浓度氧化剂或强酸强碱条件，而NFM/BOB-PMS系统在常温常压下即可实现高效降解，且对水体pH不敏感。经实际废水（取自制药厂排污口）中试表明，系统对四环素的去除率可达98.7%，COD去除率超过85%，同时将PMS用量降低至0.5mmol/L。这种低能耗、高稳定性的处理技术，为解决全球抗生素残留污染问题提供了可行方案。

未来研究可拓展至以下方向：1）开发复合催化剂载体提升材料循环稳定性；2）探究不同抗生素在异质结表面的吸附-解吸动力学差异；3）构建光催化-电化学联用系统以拓展应用场景。当前成果已申请2项国家发明专利，并在3个沿海城市的污水处理厂进行中试，验证了技术的工程可行性。该研究不仅深化了S型异质结在光催化领域的应用认知，更为开发新一代环境友好型光催化材料提供了理论和技术参考。