绿色磁性ZnFe2 O4 /亚5纳米N-Cu双掺杂SnO2 S型异质结的构建及其四环素高效降解机制与水生风险评估

本研究针对抗生素污染治理难题，通过水热微波辅助法构建了亚5纳米N-Cu双掺杂SnO2 (NCS)与ZnFe2 O4 的S型异质结(NCSZ)，实现了可见光下四环素(TTC)85.8 min?1 的降解速率常数，较纯SnO2 提升39.5倍。该磁性催化剂通过生物水热法绿色合成，兼具高效降解与易回收特性，为制药废水处理提供了新策略。

　　

抗生素滥用引发的环境污染已成为全球性难题，其中四环素类抗生素(TTC)因其水溶性强、自然降解慢的特性，在环境中持续累积并诱发耐药菌株。传统处理方法面临催化剂回收困难、可见光利用率低等瓶颈。针对这一挑战，阿巴丹石油学院的研究团队创新性地开发了磁性可回收的ZnFe₂
O₄
/亚5纳米N-Cu双掺杂SnO₂
S型异质结(NCSZ)，相关成果发表于《Journal of Environmental Management》。

研究采用水热微波辅助法合成超细(4 nm)SnO₂
纳米颗粒，通过N-Cu双掺杂将带隙从3.6 eV降至2.9 eV；利用植物提取物介导的生物水热法构建ZnFe₂
O₄
/NCS异质结。通过XRD、BET等技术表征材料结构，结合DFT计算解析降解路径，采用危险商数(HQ)评估生态风险。

XRD分析
衍射峰证实NCSZ中同时存在SnO₂
四方相和ZnFe₂
O₄
尖晶石结构，N-Cu掺杂引起晶格畸变使(110)晶面峰宽化，平均晶粒尺寸4.3 nm。

光学性能
UV-Vis显示双掺杂使吸收边红移至425 nm，PL光谱表明NCSZ的电子-空穴复合率较纯SnO₂
降低72%。

降解性能
在pH=9、0.5 g/L催化剂用量下，NCSZ对30 mg/L TTC的60分钟降解率达100%，速率常数85.8 min^?1
，超氧化物自由基(O₂
^•?
)为主要活性物种。

机制解析
S型异质结通过内部电场(IEF)驱动电子从ZnFe₂
O₄
的导带(CB)向SnO₂
的价带(VB)迁移，实现载流子空间分离。N掺杂引入受主能级，Cu掺杂形成施主能级，协同拓宽光响应范围。

生态评估
HQ分析显示处理后溶液毒性降低98%，验证了技术的环境安全性。

该研究通过多组分协同设计解决了传统光催化剂的三大矛盾：通过双掺杂平衡带隙缩窄与复合中心矛盾，利用S型异质结协调氧化还原能力与载流子分离，借助生物合成实现磁性回收与绿色制备的统一。所开发的NCSZ催化剂在四环素单位质量降解能耗(0.17 kWh/g)和循环稳定性(10次后效率保持95%)方面均优于同类材料，为工业废水处理提供了兼具高效性与可持续性的解决方案。