晶格匹配构建Cu2S/ZnIn2S4 p-n异质结协同降解抗生素与还原六价铬的机制研究

针对废水中抗生素与重金属共污染难题，研究人员通过外延生长策略构建晶格匹配的Cu2S/ZnIn2S4 p-n异质结，利用内建电场促进光生载流子分离，实现四环素（TC）降解率96.7%和Cr(VI)还原率94.1%（32分钟内），其中Cr(V)中间体进一步强化抗生素降解，为协同处理复合污染提供新思路。

　　

水污染治理正面临抗生素与重金属双重挑战。四环素（TC）等抗生素的过度使用导致环境残留，而六价铬Cr(VI)作为高毒性重金属，其协同污染加剧生态风险。传统光催化技术受限于光吸收弱、载流子复合率高两大瓶颈，且污染物去除多依赖活性氧中间体，效率低下。如何实现污染物直接转化并同步处理复合污染，成为环境领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，中国某研究团队在《Environmental Research》发表创新成果，通过外延生长策略在Cu₂S纳米盒表面构建晶格匹配的ZnIn₂S₄纳米片，形成具有内建电场的p-n异质结。该结构通过空心设计增强光捕获能力，利用费米能级差驱动电荷定向迁移，使光生电子与空穴直接参与Cr(VI)还原和TC降解，避免中间反应步骤。实验显示，复合材料在可见光下32分钟内对TC和Cr(VI的去除率分别达96.7%和94.1%，且发现Cr(V)中间体的氧化作用可进一步促进抗生素分解。

关键技术方法
研究采用Cu₂O模板法原位合成Cu₂S/ZnIn₂S₄异质结，通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）验证晶相结构，原子力显微镜（AFM）与扫描电镜（SEM）表征形貌，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析光学性质，电化学阻抗谱（EIS）评估电荷转移效率，并利用电子顺磁共振（EPR）追踪活性物种。

研究结果

Characterization
XRD证实复合材料同时存在ZnIn₂S₄的（006）晶面和Cu₂S的（090）晶面。SEM显示Cu₂O模板经硫化后转变为空心Cu₂S纳米盒，外延生长的ZnIn₂S₄纳米片厚度约4.2 nm（AFM）。XPS表明界面处形成S^2?-Cu⁺-In³⁺共价键，UV-Vis显示吸收边红移至650 nm，EIS证明异质结电荷转移电阻仅为单一组分的1/5。

光催化性能
可见光照射下，Cu₂S/ZnIn₂S₄-2样品对20 mg/L TC和50 mg/L Cr(VI)的去除动力学常数分别为0.082 min^?1和0.075 min^?1，较单一组分提升4.3倍和3.8倍。EPR检测到直接电子转移导致的Cr(V)信号（g=1.979），液相色谱-质谱（LC-MS）解析出TC的脱甲基和开环路径。

Conclusion
该研究通过精准调控异质结界面的晶格匹配度，构建了高效电荷传输通道，证实内建电场可同步优化载流子生成、分离与利用效率。创新性提出光生载流子直接参与污染物转化的"一步式"机制，突破传统活性氧路径的限制。Cr(V)中间体的桥接作用首次揭示重金属-抗生素协同去除的级联反应原理，为设计多功能环境催化剂提供理论依据。

讨论与意义
这项工作从原子尺度阐释了晶格匹配对界面电荷转移的促进作用，空心结构设计实现光吸收与反应位点的协同优化。实际废水测试显示复合材料在宽pH范围（3-9）和复杂基质中保持稳定性。技术经济分析表明，该催化剂太阳能利用率较传统TiO₂提升2个数量级，且可磁性回收重复使用5次以上。研究成果为发展"以废治废"的绿色水处理技术开辟新途径，对实现联合国可持续发展目标（SDG 6）具有实践价值。