生物炭改性三维g-C3N4光催化活化过硫酸盐高效降解盐酸四环素的研究

针对水体中抗生素污染治理难题，南京工业大学Fukang Feng团队通过一步法合成木材生物炭(BC)修饰的三维花状g-C3N4(3D CN)，解决了传统g-C3N4电荷复合快、光吸收差的瓶颈。该3D BC-CN60复合材料在可见光驱动过硫酸盐(PMS)活化体系中，对盐酸四环素(TC)的降解速率提升5.27倍，98.04%的TC可在60分钟内去除。研究揭示了BC作为电子受体和导电桥的双重作用机制，为农业废弃物资源化用于高级氧化技术提供了新思路。

　　

抗生素污染已成为全球性环境挑战，其中盐酸四环素(TC)因其廉价广谱的特性在水体中大量累积，不仅诱发抗生素耐药性基因传播，更通过食物链威胁生态系统健康。传统处理方法如吸附法、生物降解等存在效率低、二次污染等问题，而基于过硫酸盐(PMS)的高级氧化工艺(AOP)虽能产生长寿命硫酸根自由基(•SO₄^?)，却受限于催化剂性能不足。南京工业大学研究团队创新性地将农业废弃物转化的生物炭(BC)与三维石墨相氮化碳(g-C₃N₄)结合，在《Optical Materials》发表的研究成果为这一难题提供了突破性解决方案。

研究采用超分子自组装法制备三维花状g-C₃N₄(3D CN)，通过共煅烧与木材生物炭复合。关键技术包括：1）700℃氮气氛围制备BC；2）三聚氰胺-氰尿酸超分子前驱体构建3D CN；3）电子顺磁共振(EPR)和液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析活性物种及降解路径；4）电化学阻抗谱(EIS)和瞬态光电流响应测试电荷分离效率。

Structural properties
扫描电镜显示3D CN呈现松散多孔的花状结构（图1b），BC则为二维卷曲层状形态（图1a）。复合后材料兼具两种形貌特征（图1c），X射线衍射证明成功构建BC/g-C₃N₄异质结。比表面积测试表明3D BC-CN60的孔容达0.208 cm³/g，是体相g-C₃N₄的2.3倍，为反应提供丰富活性位点。

Photocatalytic performance
在可见光/PMS体系中，3D BC-CN60对TC的一级动力学常数达56.04×10^?3 min^?1，较纯3D CN提升5.27倍。优化实验表明：催化剂剂量0.4 g/L、PMS浓度1.5 mM、pH=7时取得最佳效果。循环实验证实材料5次使用后效率仅降低7.2%，展现出优异稳定性。

Reaction mechanism
自由基捕获实验与EPR分析证实单线态氧(¹O₂)、羟基自由基(•OH)和硫酸根自由基(•SO₄^?)共同主导降解过程。LC-MS鉴定出m/z=461.1、417.1等12种中间产物，推导出TC通过脱甲基化和开环反应两条降解路径。光电测试揭示BC的导电桥作用使电子转移速率提升3.8倍，荧光光谱显示复合材料的电荷复合率降低61.2%。

该研究开创性地将农业废弃物衍生BC与3D g-C₃N₄结合，突破传统光催化剂设计局限。BC的双重功能（电子受体和导电桥）与3D CN的多孔结构协同作用，使可见光吸收边红移58 nm，量子效率提高至体相g-C₃N₄的6.1倍。研究成果不仅为抗生素废水处理提供高效催化剂，更开创了"以废治废"的绿色治理新模式，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中"清洁饮水和卫生设施"具有重要实践意义。