Bi0修饰N,S-CQDs/BiOCl复合膜的光催化机制与实际应用：高效降解有机污染物的新策略

针对Bi基光催化剂载流子分离效率低、界面动力学惰性问题，兰州大学团队通过原位化学还原法构建Bi0/BiOCl/N,S-CQDs（BBNS）三元体系，可见光下磺胺噻唑降解率提升6.5倍。DFT计算揭示Bi0与N,S-CQDs协同促进载流子传输，动态水模拟实验证实PVDF膜组件可实现80%污染物持续去除，为绿色水处理提供新方案。

　　

在现代畜牧业和医疗领域，磺胺类抗生素（SAs）的大规模使用导致水体污染日益严重，其诱导的抗生素抗性基因更对生态系统构成长期威胁。传统高级氧化工艺存在能耗高、二次污染等问题，而BiOX光催化剂虽具有独特的[Bi₂O₂]²⁺层状结构，却受限于载流子复合率高、活性位点暴露不足等瓶颈。如何通过材料改性实现太阳能的绿色高效转化，成为环境催化领域的关键挑战。

兰州大学研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地将生物质衍生的氮硫共掺杂碳量子点（N,S-CQDs）与BiOCl复合，并通过NaBH₄还原调控Bi⁰沉积量，构建出具有表面等离子体共振（SPR）效应的三元催化剂BBNS。该工作不仅阐明了Bi⁰含量与?O₂^-产率的定量关系，更通过PVDF膜组件实现了动态水流条件下的高效降解，为实际水处理工程提供了理论支撑和技术原型。

关键技术方法
研究采用水热法合成N,S-CQDs，通过原位化学还原在BiOCl表面沉积不同含量的Bi⁰；利用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料结构；通过瞬态吸收光谱和密度泛函理论（DFT）计算揭示载流子传输机制；设计序批式和连续流两种PVDF膜反应器评估实际应用性能；结合高分辨质谱（HRMS）和毒性评估软件（T.E.S.T.）解析降解路径与生态风险。

研究结果

1. 结构表征：XRD证实Bi⁰成功沉积于N,S-CQDs/BiOCl界面，HRTEM显示Bi⁰纳米颗粒尺寸约15 nm（图2）。XPS表明S掺杂增强了CQDs的电子离域效应，Bi⁰的4f轨道结合能位移证实了金属-半导体界面电荷重排。

2. 光催化性能：最优BBNS在可见光下对7种SAs的降解率均超90%，磺胺噻唑（STZ）的速率常数（k）是纯BiOCl的6.5倍。自由基捕获实验证实?O₂^-和h⁺为主导活性物种，其产量与Bi⁰沉积量呈正相关（R²>0.95）。

3. 机制解析：DFT计算显示Bi⁰的SPR效应使费米能级向导电带偏移0.38 eV，N,S-CQDs作为电子桥梁将界面电荷转移速率提升3.2倍（图5）。PL光谱证实复合材料荧光寿命缩短至2.1 ns，载流子复合率降低67%。

4. 实际应用验证：动态水实验中，BBNS/PVDF膜在连续流模式下180分钟保持80%STZ去除率，且5次循环后活性仅下降8.7%。膜表面zeta电位分析表明，N,S-CQDs的负电性（-32.1 mV）增强了污染物吸附能力。

5. 毒理学评估：通过Fukui指数定位STZ分子最易攻击的C7-N8键，HRMS检测到4种中间产物。T.E.S.T.软件预测降解产物的半数致死浓度（LC₅₀）提高2-3个数量级，证实毒性显著降低。

结论与意义
该研究通过精准调控Bi⁰-N,S-CQDs-BiOCl三组分协同作用，突破了传统光催化剂的效率瓶颈。其创新性体现在：（1）首次建立Bi⁰沉积量与?O₂^-产率的定量模型；（2）开发出兼具高活性与易回收的PVDF膜反应器；（3）将DFT计算与毒理学评估结合，为绿色催化剂设计提供全链条研究方法。这项工作不仅推动了Bi基材料在环境修复中的应用，更为太阳能驱动的废水处理技术产业化提供了新思路。