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随着工业化加速，抗生素（如四环素，TC）和挥发性有机化合物（如甲醛，HCHO）污染严重。研究人员合成 Bi?MoO?/g-C?N?/ 高岭石三元 S 型异质结光催化剂。该催化剂对 TC 和 HCHO 降解性能优异，为环境修复提供新思路。
在当今工业化飞速发展的时代，环境污染问题愈发严峻，其中抗生素和挥发性有机化合物（VOCs）的污染格外引人关注。四环素（TC）作为药品和个人护理产品（PPCPs）中的典型抗生素，凭借其稳定的萘环结构和生物抗性，在常规降解方法面前 “顽固不化” 。它广泛存在于水环境中，不仅威胁生态系统的平衡，还加速了抗生素抗性基因的传播，就像一颗隐藏在生态系统中的 “定时炸弹”，随时可能引发更大的危机。而室内的 VOCs，比如甲醛（HCHO），从建筑材料和家具中源源不断地释放出来，因其强致癌性和高挥发性，严重危害着人们的健康，让人们在室内也难以呼吸到安全的空气。
目前针对 PPCPs 和 VOCs 的处理技术，如吸附、生物处理和化学氧化等，都存在着各种各样的问题。有的效率低下，如同老牛拉车，无法满足快速处理污染物的需求；有的会产生二次污染，在解决一个问题的同时又制造了新的麻烦；还有的运行成本高昂，使得大规模应用受到限制，就像一座难以攀登的高山，让很多治理方案望而却步。因此，开发新型、高效且环保的处理技术迫在眉睫。
在这样的背景下，国内研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们致力于合成一种新型的光催化剂，以解决传统处理技术的不足。研究人员通过简单的煅烧结晶和溶剂热法，成功制备出了一种具有分级结构的 Bi?MoO?/g-C?N?/ 高岭石三元 S 型异质结光催化剂，以剥离的高岭石作为载体。该研究成果发表在《Applied Clay Science》上，为环境修复领域带来了新的曙光。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在材料表征方面，利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等观察样品微观形貌；通过 X 射线衍射（XRD）分析晶体相；采用 N?吸附 - 脱附等温线测定比表面积和孔径分布。在性能测试上，分别进行了四环素和甲醛的降解实验，以此评估光催化剂的活性。同时，运用密度泛函理论（DFT）计算对电子转移等进行理论分析。
光催化剂的表征
研究人员首先对制备的光催化剂进行了全面的表征。通过 SEM 和 TEM 观察发现，高岭石经过插层 - 剥离处理后，从块状聚集体转变为二维层状结构，为活性催化组分的负载提供了良好的平台。g-C?N?原本呈现微米级的堆叠层，Bi?MoO?则形成 1 - 1.5μm 的花状微球，而在负载到高岭石表面后，g-C?N?的聚集明显减少，Bi?MoO?微球分散成纳米片，与 g-C?N?均匀地共分布在高岭石表面，形成了丰富的三相界面区域，为光催化反应提供了更多的活性位点。
XRD 分析结果显示，高岭石、g-C?N?和 Bi?MoO?各自具有特征衍射峰，而制备的三元复合材料 BCNK 则显示出这三种物质的特征峰，证实了目标产物的成功制备。N?吸附 - 脱附等温线表明，BCNK - 0.5 复合材料具有典型的 IV 型等温线和 H3 滞后环，存在介孔结构，且相比纯 g-C?N?和高岭石，其介孔数量增加，比表面积和孔体积也有所提高，这有利于促进目标污染物的吸附和扩散。
UV - Vis DRS 研究发现，高岭石的引入使复合材料的可见光响应性得到改善，BCNK - 0.5 具有最窄的带隙（2.57eV），增强了光吸收能力。XPS 分析证实了高岭石、g-C?N?和 Bi?MoO?之间界面键的形成，且高岭石表面的羟基有助于稳定催化剂，提高其循环性能。
四环素的降解
在可见光（λ > 420nm）照射下，研究人员对不同样品降解四环素的性能进行了测试。结果显示，空白对照组中 TC 的自然降解可忽略不计，纯 g-C?N?由于比表面积小，吸附能力有限。而引入高岭石作为载体后，CNK 和 BK 二元材料的吸附能力显著增强。在 300min 的可见光照射后，BCNK 三元复合材料表现出优异的降解性能，其中 BCNK - 0.5 的降解效率最高，其降解过程符合准一级动力学，速率常数（k = 0.0062min?1）约为 g-C?N?的 15.5 倍、Bi?MoO?的 2.21 倍。这主要得益于高岭石的高比表面积提供了丰富的吸附位点、二维片状结构分散了催化组分以及表面硅醇基团增强了电荷分离效率。
此外，BCNK - 0.5 在经过 4 次循环使用后，对 TC 的降解仍能达到 81.0%，证明了高岭石作为载体对提高材料稳定性的重要作用。同时，研究还考察了 pH、催化剂用量和初始污染物浓度等因素对降解效果的影响，发现 BCNK - 0.5 在弱酸性条件下对 TC 的降解效果最佳，且过多的催化剂用量并不会提高降解率，随着初始 TC 浓度的增加，降解率逐渐降低，但当初始浓度为 20mg/L 时，去除率仍可超过 95%。
甲醛的光催化去除
研究人员以甲醛（HCHO）为目标污染物，评估了复合材料在环境修复方面的通用性。实验结果表明，在可见光下，HCHO 的自降解可忽略不计，纯 g-C?N?对 HCHO 的吸附和光催化活性较低，降解率仅约 10%。Bi?MoO?由于较大的表面积和较好的可见光响应，在 180min 光照后降解率为 50.6%。而三元复合材料 BCNK - 0.5 的 HCHO 降解率更高，达到 55.5%，且在降解过程中产生的 CO?产量最高，表明其能将 HCHO 完全矿化为 CO?。动力学分析显示，BCNK - 0.5 的速率常数（0.00443min?1）分别是 g-C?N?、Bi?MoO?和 CNK 的 8.05 倍、1.10 倍和 6.15 倍，进一步证实了其优异的光催化活性。与其他报道的光催化剂相比，BCNK S 型异质结光催化剂在降解 HCHO 和 TC 方面表现出了卓越的性能，具有良好的实际应用前景。
DFT 模拟
为了探究构建的 Bi?MoO?/g-C?N?/ 高岭石 S 型异质结光催化剂催化活性增强的原因，研究人员进行了 DFT 模拟。计算结果显示，高岭石的层状硅酸盐结构（含有 Si - OH 和 Al - OH 基团）作为有效的电子转移桥，促进了电子从 Bi?MoO?迁移到 g-C?N?表面，再转移到高岭石表面，加速了光生载流子的分离，从而显著提高了光催化活性。这一机制也得到了 BCNK - 0.5 增强的光电流响应和降低的 PL 强度的验证。
可能的光催化机制
通过对光致发光（PL）光谱、电子顺磁共振（EPR）光谱和电化学性能的分析，研究人员揭示了该复合材料可能的光催化机制。PL 光谱显示，BCNK - 0.5 的 PL 强度明显低于 g-C?N?和 Bi?MoO?，表明 S 型异质结促进了电荷分离。EPR 表征结果表明，在可见光照射下，BCNK - 0.5 复合材料中产生了?O?ˉ和?OH 自由基，且?OH 的信号强度高于?O?ˉ，证实了?OH 在光降解反应中的主导作用。
电化学性能分析表明，BCNK - 0.5 具有最高的光电流响应强度，且空间电荷层厚度减小，界面电场增强，有利于光生电子从 Bi?MoO?转移到 g-C?N?，有效抑制了电子 - 空穴复合。根据 Mott - Schottky 测试和 UV - Vis DRS 确定的各组分能带位置，该系统满足 S 型异质结的核心特征。在光照下，Bi?MoO?导带中的电子与 g-C?N?价带中的空穴选择性复合，同时保留了 g-C?N?导带中的高还原性电子（生成?O?ˉ）和 Bi?MoO?价带中的高氧化性空穴（生成?OH）。高岭石表面的 Si - O 键作为电子转移桥，增强了界面电子迁移速率，其表面的羟基与光生空穴反应生成?OH，与?O?ˉ形成双自由基协同降解系统，从而使复合材料具有优异的光催化性能。
综上所述，该研究成功构建了 Bi?MoO?/g-C?N?/ 高岭石三元 S 型异质结光催化剂。高岭石在其中不仅作为载体提供高比表面积和吸附位点，还通过其独特的结构和表面化学性质，有效促进了活性组分的分散、光生载流子的迁移和分离，增强了光吸收能力。该三元复合材料在可见光下对四环素和甲醛表现出优异的降解性能，为开发基于高岭石的低成本、可见光驱动的 S 型光催化剂用于高效去除室内 VOCs 和 PPCPs 提供了新的思路和方法，在环境修复领域具有重要的理论和实际意义，有望为解决环境污染问题带来新的突破和变革。
