碳纳米管负载硼碳氮掺杂铬铁氧体(CrFe2 O4 -BCN@CNT)的合成及其光催化降解水体抗生素研究

针对水体抗生素污染治理难题，研究人员开发了新型光催化剂CrFe2 O4 -BCN@CNT，通过可见光驱动高效降解磺胺甲恶唑(SFM)、氯霉素(CHP)和环丙沙星(CIF)，降解率分别达96%、88%和90%。该材料具有97.48 m2 /g比表面积和1.49 eV窄带隙，活性氧物种(ROS)贡献顺序为•O2 - •OH > e- h+ ，为实际水处理提供了经济高效的解决方案。

　　

抗生素污染已成为威胁全球饮用水安全的重大环境问题。磺胺甲恶唑(SFM)、氯霉素(CHP)和环丙沙星(CIF)等抗生素在自然水体中被频繁检出，浓度可达470 ng/L。传统水处理工艺难以有效去除这些药物残留，导致抗生素耐药性扩散和生态风险加剧。更棘手的是，现有降解技术普遍存在成本高、副产物毒性大或效率低等缺陷。面对这一挑战，研究人员开发了基于太阳光驱动的新型纳米光催化材料。

中国科学院的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表研究，成功合成碳纳米管负载硼碳氮掺杂铬铁氧体(CrFe₂
O₄
-BCN@CNT)复合材料。该材料通过共沉淀法结合水热法制备，采用FTIR、XPS、BET等多维表征技术证实其结构特性，系统评估了其对三类抗生素的光催化降解性能。研究发现，该催化剂在太阳光下4小时内即可实现90%以上的抗生素去除率，且在多抗生素共存体系中仍保持50%以上的降解效率，五次循环后活性仅衰减约40%，展现出良好的实际应用前景。

关键技术方法包括：1) 共沉淀法制备CrFe₂
O₄
纳米颗粒；2) 氨气氛围高温合成硼碳氮(BCN)材料；3) 水热法实现CNT载体负载；4) 紫外-可见光谱监测降解动力学；5) 自由基捕获实验确定ROS贡献机制。

【材料合成与表征】
XRD图谱显示材料具有(220)、(311)等特征晶面，TEM显示20 nm均匀粒径。XPS证实材料含Cr、Fe、B、C、N等元素，其中Cr以+3和+6价共存。BET测试揭示97.48 m²
/g的高比表面积和0.0473 cm³
/g的孔容积，为污染物吸附提供丰富活性位点。Tauc曲线计算得到1.49 eV的窄带隙，使其具备优异的可见光响应能力。

【光催化性能评估】
在10 mg/L初始浓度下，SFM、CHP和CIF的降解动力学符合准一级模型，速率常数分别为0.0159、0.0077和0.0080 min^-1
。暗实验表明材料同时具备吸附能力，对CIF吸附率达12.2%。溶液pH影响显著：SFM在酸性条件、CHP在中性条件、CIF在碱性条件下分别获得最佳降解效果。

【作用机制解析】
通过自由基捕获实验发现，超氧自由基(•O₂
^-
)贡献率达73-83%，羟基自由基(•OH)贡献55-68%，而光生电子(e^-
)和空穴(h⁺
)作用不足6%。CNT的引入有效抑制了e^-
/h⁺
复合，光催化机制涉及：1) 光生空穴直接氧化抗生素分子；2) •O₂
^-
和•OH自由基链式反应降解污染物。

【实际应用验证】
多抗生素混合体系中，材料对SFM、CHP和CIF的降解效率分别降至65%、54%和50%。再生实验显示，经五次循环后催化剂仍保持60%左右的活性，且无金属溶出，符合环境安全要求。与文献报道的g-C₃
N₄
/BiOBr(71%效率)等材料相比，本材料在自然光利用率和处理成本上更具优势。

该研究创新性地将铬铁氧体的磁性回收特性、BCN的窄带隙优势与CNT的电子传导能力相结合，解决了传统光催化剂可见光响应范围窄、载流子复合率高两大技术瓶颈。特别是在实际水体多污染物共存环境下仍保持显著活性，为饮用水厂抗生素深度处理提供了新材料选择。未来研究可进一步优化材料组成比例，开发固定化反应器，推动该技术从实验室走向工程化应用。