可见光驱动双活性位点协同 N 掺杂 TiO2/BiOI 异质结降解氧氟沙星的理论与实验研究

针对环境水体中氧氟沙星（OFL）残留问题，研究人员制备 N 掺杂 TiO2/BiOI 可见光催化剂。在模拟自然光下，0.3 g/L 催化剂对 5 mg/L OFL 降解率达 94.65%，机制与?O2-、h+、?OH 等自由基相关，为 OFL 污染治理提供新路径。

　　

抗生素在环境中的残留已成为全球关注的健康与生态难题。氟喹诺酮类抗生素氧氟沙星（OFL）因广泛使用且难以自然降解，在水体中检出浓度不断攀升。医院废水、生活污水和地表水中 OFL 浓度分别可达 35–200 μg?L^-1、0.9–32 μg•L^-1和 0.5 μg?L^-1，传统污水处理工艺难以有效去除这类污染物。开发高效、绿色的降解技术迫在眉睫。光催化技术凭借反应条件温和、氧化能力强且无二次污染的优势，成为处理抗生素废水的重要研究方向。然而，单一半导体材料如 BiOI 存在电子 - 空穴对分离效率低的缺陷，TiO₂则因宽禁带（3.2 eV）限制可见光利用，如何通过材料改性提升催化性能成为关键科学问题。

为突破上述瓶颈，国内研究团队开展了 N 掺杂 TiO₂/BiOI 异质结光催化剂的制备与性能研究。该研究以解决 OFL 污染为目标，通过构建新型复合半导体材料，探索其在可见光下的催化机制，相关成果发表在《Environmental Research》。

研究采用水热法制备 N-TiO₂/BiOI 复合催化剂，主要技术方法包括：利用 X 射线衍射（XRD）分析材料物相结构，通过光催化降解实验（500 W 氙灯模拟可见光）评估催化活性，结合自由基捕获实验和密度泛函理论（DFT）计算揭示反应机制。

材料表征与催化性能

XRD 结果显示，N 掺杂后 TiO₂衍射峰强度提升，表明结晶度改善。紫外 - 可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）证实，N-TiO₂/BiOI 的可见光吸收范围显著拓宽，归因于 N 元素引入形成 Ti-O-N/O-Ti-N-O 官能团，降低禁带宽度。在最优条件（催化剂投加量 0.3 g/L、初始 OFL 浓度 5 mg/L、pH 7.0）下，可见光照射 120 min 后 OFL 降解率达 94.65%，显著优于单一 BiOI 或 TiO₂。

降解机制与理论分析

自由基捕获实验表明，超氧自由基（?O₂^-）、空穴（h⁺）和羟基自由基（?OH）均为主要活性物种。N-TiO₂导带产生的?O₂^-与 N-TiO₂、BiOI 价带的 h⁺、?OH 协同作用，通过断裂 OFL 分子中羧基与甲基的连接键，逐步将其氧化为无机酸、CO₂和 H₂O。DFT 计算进一步验证，异质结界面的电子转移效率提升，有效抑制了电子 - 空穴对复合，与实验结果一致。

循环稳定性与实际应用潜力

催化剂经 5 次循环使用后，OFL 降解率仍保持在 85% 以上，表明 N-TiO₂/BiOI 具有良好的稳定性。这一特性使其在实际废水处理中具备应用前景，为应对抗生素污染提供了低成本、高效率的材料选择。

研究结论与意义
本研究成功构建了 N-TiO₂/BiOI 异质结光催化剂，通过非金属掺杂与异质结协同作用，显著提升了可见光响应能力和自由基生成效率。实验与理论结合揭示了双活性位点的催化机制，为设计高效半导体复合材料提供了新策略。该成果不仅拓展了光催化技术在抗生素污染治理中的应用，也为新型环境功能材料的开发提供了理论依据，对推动绿色化学技术发展和保障水环境安全具有重要意义。