富空位Nd2 S3 /TiO2 S型异质结光催化降解盐酸四环素的机制突破与性能提升

为解决抗生素污染难题，研究人员通过溶剂热法构建了富空位Nd2 S3 /TiO2 S型异质结光催化剂（NT-1），显著提升了可见光下盐酸四环素（TCH）的降解效率。实验表明，NT-1的降解速率常数分别是TiO2 和Nd2 S3 的1.4倍和9.5倍，且循环使用后仍保持高活性。通过自由基捕获、ESR和UPLC-MS等技术，揭示了·OH、·O2 - 和h+ 为主导活性物种，并阐明了降解路径。该研究为废水抗生素治理提供了高效稳定的解决方案。

　　

抗生素污染已成为全球环境健康的重大威胁，其中盐酸四环素（TCH）因难降解性和生态毒性备受关注。传统处理方法如生物降解周期长，物理吸附无法彻底分解污染物。光催化技术虽能利用太阳能降解污染物，但常用催化剂TiO₂
存在光响应范围窄（仅吸收387 nm紫外光）、载流子复合率高、吸附性能差等瓶颈。如何通过材料设计突破这些限制，成为环境催化领域的关键挑战。

针对这一难题，新疆兵团的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过溶剂热法构建了富空位的Nd₂
S₃
/TiO₂
S型异质结光催化剂（NT-1）。研究采用XRD、ESR、UPLC-MS等技术表征材料结构，通过自由基捕获实验和理论计算阐明机制，最终实现了可见光下TCH的高效降解。

关键实验方法

1. 溶剂热法合成Nd₂
   S₃
   /TiO₂
   复合材料
2. 自由基捕获实验结合ESR检测活性物种（·OH、·O₂
   ^-
   等）
3. UPLC-MS分析降解中间产物
4. 电化学测试（Mott-Schottky、瞬态光电流等）验证载流子行为

研究结果

1. 结构表征：XRD证实成功构建异质结，ESR显示硫空位存在；TEM显示Nd₂
   S₃
   纳米颗粒均匀负载于TiO₂
   表面。
2. 性能优化：NT-1在60分钟内降解90%以上TCH，速率常数达纯TiO₂
   的1.4倍，且循环5次后活性保持95%。
3. 机制解析：自由基实验表明·OH和·O₂
   ^-
   起主要作用；能带计算证实S型异质结促进电荷分离并保留强氧化能力。
4. 降解路径：UPLC-MS鉴定出脱羟基、开环等7种中间体，推导出TCH的逐步矿化路径。

结论与意义
该研究通过空位工程和异质结协同策略，首次实现Nd₂
S₃
/TiO₂
体系对TCH的高效光催化降解。S型机制（Step-scheme）既解决了载流子快速复合问题，又维持了高氧化还原电位，而硫空位进一步增强了污染物吸附和光吸收。理论计算与实验结果的相互印证，为异质结设计提供了新思路。这项成果不仅为抗生素废水治理提供了新型催化剂，其“吸附-降解”协同机制对开发其他环境污染物处理技术具有重要借鉴价值。