生物炭负载p-n异质结光催化剂在水介质中受天然共存污染物影响的性能研究：机制与调控策略

本研究针对实际废水中天然共存污染物（如竞争性离子和天然有机物NOM）显著降低光催化效率的问题，通过构建生物炭负载O2 -TiO2 /CuO p-n异质结光催化剂，系统探究了其对邻苯二甲酸二甲酯（DMP）的降解机制。研究发现竞争性离子通过淬灭光生电荷对降低效率，而低浓度NOM可增强吸附但高浓度会屏蔽光子并占据活性位点。电子自旋共振（ESR）证实羟基自由基（OH• ）是主导降解的活性物种，为实际废水处理提供了理论依据和技术参考。

　　

随着工业发展和城市化进程加速，水体中持久性有机污染物的治理成为环境领域重大挑战。其中，邻苯二甲酸二甲酯（DMP）作为典型的内分泌干扰物，因其难降解性和生态毒性备受关注。尽管以二氧化钛（TiO₂
）为代表的光催化技术被广泛研究，但实验室理想条件下取得的高效降解率在实际废水处理中常大幅下降——这一现象被归因于水体中天然共存污染物（如竞争性离子和天然有机物NOM）的干扰。这些物质会通过屏蔽光辐射、竞争活性位点或淬灭自由基等途径抑制催化效率，但具体作用机制尚未阐明。

针对这一科学难题，国内研究人员设计了一种新型生物炭负载p-n异质结光催化剂（O₂
-TiO₂
/CuO/BC650），通过系统的实验揭示了共存污染物影响光催化性能的分子机制。该研究发表于《Cleaner Water》，首次将异质结结构设计与生物炭载体特性相结合，为复杂水质条件下的污染物去除提供了创新解决方案。

研究团队采用溶胶-凝胶法和超声辅助湿浸渍技术制备催化剂，通过透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和比表面积分析（BET）表征材料特性。实验设置模拟废水和真实废水对比组，利用电子自旋共振（ESR）和自由基淬灭实验鉴定活性物种，结合动力学模型和傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析作用机制。

3.1 催化剂表征
TEM显示催化剂在生物炭表面均匀分散，高分辨图像观察到TiO₂
（110）晶面和CuO（111）晶面的特征晶格条纹。XRD证实材料保持锐钛矿相结构，BET比表面积达95.04 m²
/g，为污染物吸附提供充足位点。

3.2 DMP降解性能
在最佳条件下（pH=3，催化剂0.75 g/L），120分钟内实现93%的DMP去除率和89%的TOC矿化率。动力学分析表明光催化速率常数（0.01642 min^-1
）远高于单纯吸附（0.00183 min^-1
），证实降解主要依赖自由基氧化而非物理吸附。

3.3 实际废水影响
真实废水中DMP去除率降至74%，TOC矿化率下降31%。这种抑制效应源于废水中的共存物质干扰：竞争性离子通过反应（1）-（16）淬灭光生载流子和OH^•
；NOM在>0.3 mg/L时会通过π-π堆积占据生物炭吸附位点，FTIR在1450 cm^-1
处增强的苯环特征峰证实了该机制。

3.4 活性物种鉴定
ESR检测到典型的DMPO-OH^•
（1:2:2:1）和DMPO-O₂
^-
•（1:1:1:1）信号。淬灭实验显示，添加叔丁醇（TBA）使降解率从93%骤降至36%，而苯醌（BQ）处理组仍保持85%以上效率，证实OH^•
是主要活性物种，O_{2
-•贡献微弱。}

3.5 催化剂稳定性
重复使用5次后，催化剂效率在第三轮后趋于稳定（约45%去除率）。XRD显示回收材料晶相结构保持但峰强减弱，表明部分活性组分损失是效率下降的主因。

该研究创新性地阐明了复杂水体中光催化效率衰减的多重机制：竞争性离子通过电子捕获（如Cl^-
→Cl^•
）和自由基淬灭（如HCO₃
^-
+OH^•
→CO₃
^-
•）干扰反应；NOM则呈现"低促高抑"的双重效应——低浓度时通过增强DMP吸附提升效率，高浓度时因光子屏蔽（>78%效率下降）和h⁺
捕获产生抑制作用。这些发现为设计抗干扰光催化系统提供了关键理论支撑：一方面，p-n异质结结构（TiO₂
/CuO）能有效抑制电子-空穴复合；另一方面，生物炭载体通过π-π电子供体-受体（EDA）作用强化污染物富集，二者协同可部分抵消共存污染物的负面影响。该成果对推进光催化技术从实验室走向工程应用具有重要指导价值。