Z-型g-C3N4/Bi/BiPO4光催化剂协同增强电荷分离与光吸收的抗生素降解机制研究

为解决抗生素污染治理中光催化技术电荷分离效率低与光吸收范围窄的难题，研究人员通过构建Z-型g-C3N4/Bi/BiPO4三元异质结，利用Bi纳米颗粒的表面等离子体共振(SPR)效应同步提升电荷分离效率与可见光吸收能力。该催化剂在模拟太阳光下90分钟内实现97.5%四环素降解率（速率常数4.00×10?2 min?1），为废水处理提供了高效稳定的光催化解决方案。

　　

抗生素污染：一场看不见的环境危机
四环素类抗生素在土壤和水体中的检出率高达96-100%，每年约有657吨抗生素通过淡水系统进入海洋。更严峻的是，抗生素耐药性已导致全球每年127万人死亡，预计205年将突破1000万。传统生物处理和吸附混凝技术难以有效降解这类污染物，而高级氧化工艺(AOPs)虽能产生羟基自由基(·OH)、超氧自由基(·O₂^?)等活性氧物种(ROS)，但常规光催化剂存在电荷复合快、光响应范围窄的核心瓶颈。

针对这一挑战，中国研究人员设计出创新的Z-型g-C₃N₄/Bi/BiPO₄三元光催化体系。该研究通过Bi纳米颗粒的双重调控作用——既作为电子传输桥梁构建Z-型异质结，又通过表面等离子体共振(SPR)拓宽可见光吸收，实现了电荷分离与光捕获能力的协同提升。相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为环境修复提供了新思路。

关键技术方法
研究采用溶热法结合原位还原技术构建三元复合体系，通过紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)价带分析和莫特-肖特基(Mott-Schottky)测试解析能带结构，结合光电化学表征验证电荷分离效率，并利用自由基捕获实验鉴定主导活性物种。

研究结果解析
物理化学性质
XRD证实g-C₃N₄的(002)晶面与BiPO₄的(120)晶面共存，Bi纳米颗粒的(012)晶面特征峰表明成功构建三元复合结构。

光电化学特性
瞬态光电流响应显示g-C₃N₄/Bi/BiPO₄的电流密度是单一组分的3.2倍，电化学阻抗谱(EIS)弧半径减小62%，证实Bi介导的Z-型异质结显著促进电子转移。

四环素降解性能
在pH=5条件下，复合材料90分钟内降解率达97.5%，速率常数(4.00×10^?2 min^?1)较纯g-C₃N₄提升5.7倍。淬灭实验揭示·OH和h⁺是主要活性物种。

作用机制
能带分析表明Bi在g-C₃N₄(导带-1.12 eV)与BiPO₄(价带3.85 eV)间形成电子传输通道，SPR效应使可见光吸收边红移78 nm，实现紫外-可见光全谱响应。

结论与展望
该研究通过精准调控Z-型异质结界面工程，突破传统光催化剂性能瓶颈。Bi纳米颗粒的"电子桥梁-SPR天线"双功能设计为多组分光催化体系构建提供新范式，其97.5%的抗生素降解效率具备实际应用潜力。未来研究可进一步优化Bi粒径分布以增强SPR效应，并探索其在其他难降解有机污染物治理中的普适性。