通过表面接枝β-环糊精制备具有双功能通道和内部电场的多功能催化剂

《Journal of Environmental Management》：Construction of a multifunctional catalyst with bifunctional channel and inner electric field through surface grafting of β-Cyclodextrin

提升光催化电荷分离效率是关键。本研究通过在Ag3PO4表面接枝β-CD构建复合光催化剂APCD，利用β-CD的亲水外表面和疏水腔体实现电荷转移与污染物富集双功能协同。理论计算和实验表明，β-CD的引入促进电子云分布变化，形成界面电场，增强电荷循环效率，使RhB降解速率达纯Ag3PO4的11.86倍，40分钟降解率达99.36%，并证实该材料可降解多种污染物及产H2O2。通过β-CD独特结构设计，为开发高效复合光催化剂提供新思路。

　　

陈阳 王 | 刘伟琪 | 田振 | 王林才 | 江东梅 | 刘倩 | 李瑞彦

上海工程技术大学资源与环境工程学院，中国上海金海路2360号，200120

摘要

提高光诱导的载流子分离效率对光催化至关重要。本研究将初级羟基接枝到β-环糊精（β-CD）的初级表面上，β-CD在磷酸银（Ag₃PO₄）表面具有较低的空间位阻和较高的亲核性，从而制备出一种复合光催化剂APCD，该催化剂具有用于电子转移和污染物传输的双功能通道。理论计算和实验表征表明，这种复合结构促进了电子的重新分布，并产生了界面电场。β-CD的疏水腔体吸引了界面电子，促进了环状电子传输并提高了载流子分离效率。此外，β-CD富含羟基的外表面赋予了APCD高亲水性，而其疏水腔体通过主客体相互作用机制选择性地识别有机污染物，加速了污染物的富集。APCD-3在40分钟内实现了99.36%的罗丹明B（RhB）降解率，其反应动力学速率是纯Ag₃PO₄的11.86倍，并且具有优异的可回收性。基于能带结构和光催化机制的分析，证实APCD-3能够普遍降解染料和抗生素，并生成H₂O₂。本研究巧妙地利用β-CD的独特结构制备了一种具有电子转移和污染物传输双功能通道的新材料，为开发高载流子分离效率的复合光催化剂提供了新途径。

部分摘录

说明

水体中有机染料和新兴污染物的残留问题已成为当前全球水污染控制领域的研究热点（Hou等人，2024年）。随着全球能源需求的持续增长和环境污染问题的日益严重，开发高效且可持续的污染物处理技术已成为一个重大挑战（Teng等人，2024年）。光催化降解技术展现了无与伦比的优势

材料

硝酸银（AgNO₃，≥99.8%，AR）、盐酸（HCl，AR）、硝酸钠（NaNO₃，AR）、草酸铵一水合物（OA，AR）和环丙沙星（CIP，90%）购自中国药科大学化学试剂有限公司。无水磷酸氢二钠（Na₂HPO₄，≥99.8%，AR）、碳酸氢钠（NaHCO₃，≥99.8%，AR）、β-环糊精（β-CD，99.0%，RG）、氢氧化钠（NaOH，≥98.0%，AR）、氯化钠（NaCl，≥98.0%，AR）、亚甲蓝（MB，AR）、罗丹明B（RhB，AR）等试剂均来自同公司。

计算

利用密度泛函理论（DFT）计算系统研究了β-环糊精（β-CD）接枝对Ag₃PO₄电子态的影响。通过三维电荷密度差异分析定性研究了相同配置下β-CD和Ag₃PO₄的电子云分布变化（图1a）（Lin等人，2020年）。β-CD周围的蓝色区域表示电子耗尽，而Ag₃PO₄周围的绿色区域表示电子富集

光催化剂的制备与表征

扫描电子显微镜（SEM）图像显示β-CD呈现为不规则的块状晶体颗粒（图2a）。基于上述理论分析，通过原位合成方法制备了复合光催化剂APCD，即将β-环糊精（β-CD）接枝到磷酸银（Ag₃PO₄的表面（方案1）。与APO相比，APCD-3的颗粒尺寸显著减小，聚集现象也明显减轻（图2b–e）。

结论

通过将β-环糊精（β-CD）接枝到磷酸银（Ag₃PO₄表面，本研究制备出了一种高效复合光催化剂APCD。所得复合材料具有用于电子转移和污染物迁移的双功能通道，这一结果通过密度泛函理论（DFT）模拟得到了验证。β-CD的独特结构有效提供了额外的活性位点，并增强了电子循环和传输效率

CRediT作者贡献声明

陈阳 王：撰写——原始草稿、方法学、实验研究、数据分析。刘伟琪：结果验证、方法学、实验研究、数据分析。田振：方法学、实验研究。王林才：方法学、实验研究。江东梅：项目监督、资源支持、方法学指导、概念构思。刘倩：资源支持、实验研究。李瑞彦：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法学指导、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者衷心感谢上海交通大学的小斌胡在本手稿准备过程中提供的宝贵建议和指导。同时，作者也感谢石家庄实验室（www.shiyanjia.com）的Man Wang在TEM分析方面提供的宝贵帮助。