可见光驱动g-C3N4/Cr2O3 S型异质结高效降解四环素：机制解析与生物毒性评估

针对抗生素污染治理难题，研究人员通过构建g-C3N4/Cr2O3 S型异质结，实现了可见光下四环素（TC）的高效降解（83.4%）与矿化（63.8%）。结合原位XPS、DFT和ESR技术证实了S型电荷转移机制，其降解速率常数（0.03121 min-1）是纯g-C3N4的5.71倍，且产物毒性显著降低，为绿色水处理技术提供了新策略。

　　

论文解读：

背景与挑战
抗生素污染已成为全球水环境治理的"顽疾"，其中四环素（TC）因临床滥用和生态持久性备受关注。传统物理化学处理方法难以有效矿化这类污染物，而半导体光催化技术虽具潜力，却受限于载流子复合率高、可见光利用率低等瓶颈。更棘手的是，降解过程中产生的有毒中间体可能引发二次污染。如何构建兼具高效降解能力和低毒副产物的光催化体系，成为环境领域亟待突破的科学问题。

研究设计与创新
伊犁师范大学联合团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，创新性地采用一步煅烧法构建g-C₃N₄/Cr₂O₃ S型异质结。通过调控Cr₂O₃（带隙2.1-2.4 eV）与g-C₃N₄的界面电子结构，实现可见光驱动下的高效TC降解。研究融合材料表征（SEM/TEM）、原位X射线光电子能谱（in-situ XPS）、密度泛函理论（DFT）计算和电子自旋共振（ESR）等多维分析手段，系统揭示了S型电荷转移机制。

关键技术方法
通过热聚合法合成g-C₃N₄基底，采用变比例煅烧构建系列Cr₂O₃复合异质结（标记为xCrCN）。利用HPLC-MS鉴定降解中间体，结合大豆栽培实验和毒性预测软件（T.E.S.T.）评估生物安全性。光电化学测试（瞬态光电流、EIS）和自由基捕获实验阐明活性物种作用机制。

研究结果

1. 材料表征与结构解析
TEM显示8CrCN异质结中Cr₂O₃的(012)晶面间距0.34 nm与g-C₃N₄非晶区形成紧密界面。DFT计算证实界面内置电场促进载流子定向迁移，原位XPS捕获到Cr 2p轨道电子转移信号，直接验证S型机制。

2. 光催化性能突破
优化后的8CrCN在50分钟可见光照射下实现TC降解率83.4%（k=0.03121 min^-1），矿化率达63.8%，其速率常数是纯g-C₃N₄的5.71倍。ESR检测到显著增强的·OH和·O₂^-信号，证实异质结强化了氧化还原能力。

3. 降解路径与毒性评估
HPLC-MS鉴定出12种中间体，提出三条主要降解路径：羟基化、脱甲基和环开裂反应。大豆生长实验显示处理后的溶液发芽率>90%，T.E.S.T.预测多数产物半数致死浓度（LC₅₀）>100 mg/L，属实际无毒级。

结论与展望
该研究通过精准设计S型异质结，同步解决了光催化效率与产物毒性的双重挑战。Cr₂O₃的窄带隙特性拓宽了可见光响应范围，而界面电荷重组机制既保留强氧化还原电位，又抑制了e^--h⁺复合。研究成果为抗生素废水处理提供了可规模化的绿色解决方案，其"降解-矿化-脱毒"一体化设计理念对发展可持续环境技术具有重要启示意义。