太阳能驱动下活性炭负载NiFe层状双氢氧化物（NiFe-LDH/C）高效光催化降解美托洛尔的研究

为解决水体中β-受体阻滞剂类污染物难降解问题，研究人员开发了活性炭负载NiFe层状双氢氧化物（NiFe-LDH/C）光催化剂。通过水热法合成材料，证实其在模拟太阳光下对美托洛尔降解率超89%，且具备良好稳定性与循环性能，为医药废水处理提供了新策略。

　　

心血管药物美托洛尔作为典型的β-受体阻滞剂，在全球水体中频繁检出。这类化合物因具有内分泌干扰性和生物累积性，对水生生态系统构成严重威胁。尽管传统污水处理厂(WWTPs)能部分去除这类污染物，但其降解效率受工艺限制且易产生有毒中间体。更棘手的是，现有光催化材料普遍存在可见光响应弱、电荷复合率高、稳定性差等问题。如何开发高效稳定的太阳能驱动催化剂，成为环境治理领域的关键挑战。

南非的研究团队在《Emerging Contaminants》发表的研究中，创新性地将镍铁层状双氢氧化物(NiFe-LDH)与活性碳(C)复合，通过水热法构建了NiFe-LDH/C异质结材料。该研究采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、场发射扫描电镜(FE-SEM)等技术表征材料结构，通过电化学测试分析电荷转移性能，并利用超高效液相色谱-质谱联用(UPLC-MS)解析降解路径。实验选用20 mg/L美托洛尔溶液为处理对象，在300 W氙灯模拟太阳光下评估催化性能。

化学组成分析
FTIR光谱显示，NiFe-LDH/C在3434 cm^-1和1618 cm^-1处出现羟基特征峰，1383 cm^-1处的碳酸根振动证实尿素分解产生的插层阴离子。XRD图谱中11.88°和22.44°的衍射峰对应LDH的(003)和(006)晶面，表明材料保持完好的层状结构。

形貌与比表面积
FE-SEM显示NiFe-LDH呈纳米片层结构，活性碳的引入使比表面积从84.8 m²/g提升至176.3 m²/g。TEM证实LDH均匀分散在碳基底上，选区电子衍射(SAED)的多晶衍射环表明材料具有高结晶度。

光电性能
循环伏安测试显示，NiFe-LDH/C的阳极峰电流显著增强，电荷转移电阻从4.5 kΩ降至0.5 kΩ。能带分析表明，活性碳的导带电位(-1.14V vs NHE)可有效捕获LDH导带电子(-0.31V)，促进超氧自由基(O₂^-•)生成。

降解效能
在80 mg催化剂用量下，NiFe-LDH/C对美托洛尔的3小时降解率达89%，较纯LDH提升25%。动力学分析符合准一级反应模型，速率常数为0.015 min^-1。UPLC-MS鉴定出8种中间产物，包括m/z 225的脱甲基产物和m/z 138的苯环开裂产物。QSAR模型评估显示，降解产物毒性较母体化合物降低60%-90%。

作用机制
研究提出双重作用机理：活性碳既作为电子受体抑制e^--h⁺复合，又通过大比表面积富集污染物。LDH价带空穴(h⁺)氧化水产生羟基自由基(•OH)，而碳传递的电子还原氧气生成O₂^-•，两种活性物种协同攻击美托洛尔的胺基和醚键。

这项工作的重要意义在于：通过简单的材料复合策略，同步解决了光催化剂的可见光吸收、电荷分离和稳定性难题。NiFe-LDH/C在5次循环后仍保持85%以上活性，且适应实际水体pH波动，为规模化应用奠定基础。研究不仅为药物污染控制提供新技术，其"吸附-催化"协同的设计思路也可拓展至其他难降解有机物的治理。未来研究可进一步优化载体形貌，探索连续流反应器中的长期稳定性，推动该技术从实验室走向工程实践。