Z-型g-C3N4/TNAs异质结光电阳极增强三氯乙烯降解：机制解析与环境应用

针对地下水三氯乙烯（TCE）污染治理难题，研究人员通过水热法合成Z-型g-C3N4/TNAs异质结光电阳极，结合光催化与电化学协同作用，实现62%的TCE降解效率（100 ppb，13 W可见光），较未改性TNAs提升11%。该研究揭示了羟基自由基（•OH）主导的降解机制，为工业污染治理提供可持续解决方案。

　　

研究背景与意义
三氯乙烯（TCE）作为典型的氯化有机溶剂，因其密度高、难降解的特性，在工业区地下水中形成持久性污染，甚至微量暴露即可引发致癌风险。传统修复技术如芬顿氧化需持续投加药剂，而二氧化钛（TiO₂）光催化受限于仅4%太阳光的紫外响应。如何开发高效、低能耗的可见光驱动降解技术，成为环境治理领域的核心挑战。

研究设计与方法
台湾地区国家科学及技术委员会支持的研究团队提出Z-型异质结策略，通过水热法将石墨相氮化碳（g-C₃N₄）负载于钛酸盐纳米管阵列（TNAs），构建g-C₃N₄/TNAs-5光电阳极。采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、X射线光电子能谱（XPS）等证实异质结形成，结合电化学阻抗（EIS）和莫特-肖特基分析揭示内置电场增强电荷分离。降解实验采用13 W节能灯模拟低强度可见光，通过清除剂实验和中间产物分析阐明机制。

研究结果

1. 材料表征
   SEM显示TNAs为直径80 nm、长度2.74 μm的规整纳米管（图S1），g-C₃N₄呈石墨状团聚体。XPS证实g-C₃N₄成功修饰TNAs，EPR检测到•OH信号增强3.2倍。

2. 光电化学性能
   g-C₃N₄/TNAs-5的光电流密度达1.8 mA/cm²，较TNAs提升2.3倍。Mott-Schottky曲线显示异质结的载流子密度提高1个数量级，电荷重组率降低61%。

3. 降解效能
   在750 mL、100 ppb TCE体系中，g-C₃N₄/TNAs-5的240分钟降解率达62%，较TNAs（51%）显著提升。连续6次循环后效率仅衰减5.1%，显示优异稳定性。

4. 机制解析
   清除剂实验表明•OH贡献率超78%，同时检测到二氯乙酸（氧化产物）和乙烯（还原产物），证实Z-型机制同时驱动氧化还原路径。

结论与展望
该研究通过Z-型异质结设计，实现g-C₃N₄的可见光捕获与TNAs的电荷定向传输协同，为工业地下水污染治理提供低能耗解决方案。未来可结合实际污染场址水质参数优化系统，推动从实验室向工程化应用迈进。论文发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为同类研究提供重要范式。