一步溶剂热原位负载TiO2 纳米颗粒构建高效光催化PCN-224(Zr)@TiO2 异质结及其环境净化应用

为解决抗生素滥用和病原微生物污染问题，研究人员通过一步溶剂热法成功合成PCN-224@TiO2 直接Z型异质结光催化剂。该材料通过均匀负载TiO2 纳米颗粒增加活性位点，实现93.5%的盐酸土霉素（OTCH）降解率，并在15分钟内完全灭活金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli），为水环境治理提供高效绿色解决方案。

　　

随着工业化进程加速，水环境中抗生素残留和病原微生物污染已成为威胁生态安全和人类健康的重大挑战。传统污水处理技术存在成本高、易产生二次污染等缺陷，而光催化技术因其绿色高效特性备受关注。然而，单一光催化剂如TiO₂
存在可见光利用率低、载流子复合快等问题，金属有机框架材料PCN-224虽具有优异可见光响应但载流子分离效率不足。如何通过材料设计协同解决这些问题，成为环境催化领域的研究热点。

汕头大学的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表研究，创新性地采用一步溶剂热法将TiO₂
纳米颗粒原位负载于PCN-224表面，构建出具有直接Z型（Z-scheme）电子传递路径的PCN-224@TiO₂
异质结复合材料。研究通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等表征技术确认材料结构，结合电子顺磁共振（EPR）和电化学测试揭示其电荷分离机制。

Characterization of PCN-224@TiO₂

通过溶剂热法在PCN-224表面均匀分散20nm的TiO₂
纳米颗粒，比表面积达687m²
/g。紫外-可见漫反射光谱显示复合材料可见光吸收边扩展至650nm，荧光光谱表明其载流子复合率较纯组分降低62%。

Photocatalytic performance
最优样品PTO-20%在90分钟内降解93.50%的OTCH，动力学常数是纯TiO₂
的4.1倍。活性物种捕获实验证实·O₂
^-
和h⁺
是主要活性物质。在海水复杂体系中仍保持85.17%的降解率，展现强抗干扰能力。

Antimicrobial activity
光照15分钟即可完全灭活10⁷
CFU/mL的S. aureus和E. coli，膜通透性测试和形态学观察表明ROS破坏细菌细胞膜是主要杀菌机制。

该研究通过精准调控异质结界面工程，实现三大突破：① 创制"MOFs天线-半导体反应中心"协同体系，将可见光利用率提升至纯TiO₂
的3.9倍；② 建立Z型电子传递通道，使电荷分离效率提高4倍；③ 开发普适性纳米颗粒分散策略，为其他复合光催化剂设计提供借鉴。研究成果不仅为水环境中有机-微生物复合污染治理提供新材料，更推动光催化技术在环境修复领域的实用化进程。