玉米秸秆生物炭负载nZVMn/TiO2纳米复合材料光催化降解诺氟沙星：性能优化与生态毒性评估

针对诺氟沙星(NOR)在水环境中难降解引发的生态风险，研究人员通过化学还原法合成玉米生物炭负载纳米零价锰掺杂二氧化钛(nZVMn/TiO2@BC)复合光催化剂。该材料在pH=3、H2O2辅助下实现97.6%降解率，遵循伪一级动力学，经5次循环仍保持稳定。研究为抗生素污染治理提供了绿色高效的解决方案。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的棘手难题。诺氟沙星(NOR)作为典型的氟喹诺酮类抗生素，因其难降解特性在水体中持续累积，不仅诱发抗生素耐药性，更对水生生态系统和人类健康构成威胁。传统水处理技术面临效率低、二次污染等瓶颈，而单纯光催化又存在电子-空穴复合率高的问题。为此，来自King Saud University的研究团队创新性地将纳米零价锰(nZVMn)与二氧化钛(TiO₂)耦合，并锚定于玉米秸秆生物炭(BC)表面，开发出具有协同吸附-光催化功能的nZVMn/TiO₂@BC复合材料，相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》。

研究采用化学还原法合成材料，通过FTIR、XRD等表征技术确认材料结构，系统优化pH值、催化剂投加量等反应参数，结合LC-MS推测降解路径，并利用ECOSAR评估降解产物毒性。

材料表征
FTIR显示3452 cm^-1处羟基振动峰及593 cm^-1处Mn-O-Ti特征键；XRD证实锐钛矿型TiO₂与nZVMn的成功复合；BET测得材料比表面积达217.4 m²/g，为污染物吸附提供丰富活性位点。

性能优化
在pH=3、0.05g/L催化剂、0.3mL H₂O₂条件下，60分钟内降解率达97.6%。动力学分析符合伪一级模型(R²>0.98)，H₂O₂的引入使OH•产率提升3.2倍。

机理探讨
Zeta电位测试表明pH_pzc=6.3时表面电荷效应显著；XPS证实Mn⁰/Mn²⁺氧化还原循环促进电子转移；TEM显示10-30nm nZVMn均匀分散于TiO₂晶格中。

环境适用性
共存离子实验显示Cl^-和HCO₃^-抑制效应最强（降效12-15%）；ECOSAR预测降解产物对水生生物毒性显著降低；5次循环后效率仍保持92.7%，TGA证明材料在600°C内热稳定。

该研究通过多技术联用阐明nZVMn/TiO₂@BC的"吸附-催化"协同机制：生物炭不仅作为载体抑制纳米颗粒团聚，其表面官能团更充当电子传输桥梁；nZVMn的引入将TiO₂带隙从3.2eV降至2.8eV，拓展可见光响应范围；H₂O₂与Mn⁰的Fenton-like反应持续产生OH•，实现NOR的矿化为CO₂和H₂O。Zia Ul Haq Khan团队的工作为抗生素污染治理提供了兼具高效性和可持续性的技术方案，其"农业废弃物资源化-纳米材料设计-生态毒性评估"的全链条研究思路对新兴污染物控制具有重要借鉴意义。