La掺杂g-C3 N4 负载Ag NPs增强有机污染物的吸附与光催化降解性能研究

本研究针对染料废水处理中传统方法效率低、成本高的问题，通过一锅热解和湿浸渍法成功制备了La掺杂g-C3 N4 负载Ag NPs（Ag-0.8/LaCN-1）复合材料。该材料展现出优异的甲基橙（MO）吸附能力（30分钟去除率49.6倍于本体g-C3 N4 ）和光催化活性（80分钟降解速率13.1倍提升），其协同效应源于La的4f电子结构调整能带隙，Ag NPs的表面等离子体共振（SPR）增强可见光吸收。研究通过动力学和等温模型揭示了化学吸附主导的混合机制，并通过ESR分析证实超氧自由基（•O2 ? ）和空穴（h+ ）为关键活性物种。材料在五次循环后仍保持93%以上总去除率，Ag/La溶出率仅0.25%/0.01%，为实际废水处理提供了高效稳定的解决方案。

　　

纺织工业排放的染料废水含有致癌、致突变的有毒有机物，传统吸附、生物降解等方法存在耗时长、成本高、易产生二次污染等问题。光催化技术因其绿色可持续特性成为研究热点，其中石墨相氮化碳（g-C₃
N₄
）因其2.7 eV窄带隙、无毒和化学稳定性备受关注。然而，其低比表面积、高电荷复合率等缺陷限制了实际应用。通过金属掺杂可改善性能，但单一La掺杂存在吸附不足、还原能力下降等问题，而Ag NPs修饰虽能提升可见光吸收，却鲜有与La协同作用的系统研究。

针对这一科学问题，澳大利亚莫道克大学的研究团队创新性地将La掺杂与Ag NPs修饰相结合，采用一锅热解-湿浸渍两步法构建了Ag-0.8/LaCN-1复合材料。该研究通过系列表征证实材料中La以La₂
O₃
形式存在（XRD显示d间距0.319 nm），Ag NPs均匀分布（HRTEM观测到2.39 ?晶面间距）。比表面积测试显示其孔容达0.310 cm³
/g，较本体g-C₃
N₄
提升61%，为污染物吸附提供更多活性位点。

关键技术方法包括：1）通过DRS和莫特-肖特基测试测定能带结构；2）采用瞬态光电流和EIS分析电荷分离效率；3）利用ESR结合特异性捕获剂（TEMPO、DMPO、TEMP）鉴定活性物种；4）通过ICP-AES监测金属溶出评估环境安全性。

研究结果揭示：

1. 材料优化：当La(NO₃
   )₃
   添加量为0.010 g、Ag负载0.8 wt%时性能最佳，MO吸附量达10.2 mg/g，伪二级动力学模型R²
   =0.9998表明化学吸附主导；Redlich-Peterson等温模型拟合最优，证实吸附为单层-多层混合机制。

2. 协同机制：La掺杂将g-C₃
   N₄
   带隙从2.74 eV降至2.50 eV（UV-Vis测试），Ag NPs通过LSPR效应扩展光响应至550 nm以上。PL光谱显示Ag-0.8/LaCN-1荧光强度显著降低，TRPL分析其载流子寿命从23.8 ns缩短至4.39 ns，证实La₂
   O₃
   作为电子陷阱、Ag NPs形成肖特基势垒的双重抑制复合作用。

3. 降解机理：ESR捕获实验显示TEMPO-h⁺
   信号随光照减弱，DMPO-•O₂
   ^?
   在10分钟后转化为TEMP-¹
   O₂
   信号，证明h⁺
   直接氧化污染物，而•O₂
   ^?
   通过链式反应生成¹
   O₂
   参与降解。在pH=6时，π-π相互作用和络合作用主导吸附，使MO分子紧密接触活性位点。

4. 实际应用：在含0.2 M竞争离子（Cl^?
   、SO₄
   ^2?
   等）的合成废水中仍保持80%去除率。五次循环后总去除率仅下降3%，ICP检测Ag/La溶出量分别为2.1 mg/kg和2.9 mg/kg，远低于澳大利亚排放标准。

该研究通过精准调控金属协同效应，解决了g-C₃
N₄
基材料吸附-光催化协同效率低的难题。所开发的Ag-0.8/LaCN-1在多种水质（自来水、雨水、实际废水）中均表现稳定，为工业染料废水处理提供了新型高效催化剂的设计范式。未来研究可进一步探索磁性回收、膜固定化等工程化应用路径，推动该技术从实验室走向实际水处理工程。论文发表于《Water Cycle》，为环境污染治理领域提供了重要参考。