新型TiN@Cu2O纳米复合材料通过过一硫酸盐激活高效光降解磺胺甲恶唑及细菌灭活：DFT分析与机制探索

研究人员针对水体中磺胺甲恶唑（SMZ）和病原菌污染问题，通过水热法制备TiN@Cu2O纳米复合材料，结合过一硫酸盐（PMS）激活实现94.1%的SMZ降解效率（50分钟）及20分钟光照射下近乎完全的细菌灭活。该研究为环境与生物医学应用提供了高效、稳定的光催化解决方案。

　　

水环境中抗生素和病原菌的污染已成为全球性难题。磺胺甲恶唑（SMZ）作为常用抗生素，通过医疗废水进入水体后难以降解，不仅破坏生态平衡，还可能诱发耐药菌株。传统水处理方法如电催化、吸附等存在效率低、成本高、二次污染等问题。与此同时，病原菌如大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）进一步加剧公共卫生风险。如何开发高效、可持续的污染治理技术，成为环境与健康领域的迫切需求。

中国某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过水热法合成新型钛氮化物@氧化亚铜（TiN@Cu₂O）纳米复合材料，结合过一硫酸盐（PMS）激活，实现了SMZ的高效光降解（94.1%，50分钟）和病原菌的快速灭活（20分钟）。该材料通过异质结结构增强光吸收与电荷分离效率，为环境修复和生物医学应用提供了创新方案。

关键技术方法
研究采用水热一锅法合成TiN@Cu₂O纳米复合材料，通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）等技术表征材料结构；利用密度泛函理论（DFT）分析电子态密度与能带结构；通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）鉴定降解中间体；以自由基捕获实验验证活性氧物种（ROS）作用机制。

研究结果

1. 材料合成与表征
   XRD和HRTEM证实TiN与Cu₂O成功形成异质结，XPS显示Cu⁺和Ti-N键的存在。DFT计算表明异质结界面促进电荷转移，拓宽可见光响应范围。

2. SMZ降解性能
   TiN@Cu₂O/PMS体系在pH 7条件下对SMZ的降解效率达94.1%，远超单一组分（TiN或Cu₂O）。超声处理和优化PMS剂量（0.5 g/L）可进一步提升效率。

3. 机制分析
   自由基捕获实验表明，超氧自由基（•O₂^?）和空穴（h⁺）是主要活性物种。LC-MS揭示SMZ通过脱硫和苯环裂解途径降解，DFT指出其嘧啶环为最易受攻击位点。

4. 抗菌活性
   该材料对E. coli和S. aureus的灭活率接近100%（20分钟光照），归因于ROS对细胞膜的破坏。

结论与意义
该研究首次将TiN@Cu₂O异质结应用于PMS激活的光催化体系，解决了传统催化剂光吸收窄、电荷复合快的问题。其高效降解与抗菌性能为水处理提供了“一石二鸟”的策略，尤其适用于医疗废水处理。DFT与实验结合的机制解析为材料设计提供了理论依据。Ameena Tur Rasool等作者的工作不仅推动了光催化技术的实际应用，也为应对抗生素耐药性挑战提供了新思路。