纳米Cu2O/g-C3N4 p-n异质结协同光催化降解抗生素与重金属Cr(VI)的机制研究

针对水体中抗生素（TCH）和六价铬（Cr(VI)）复合污染难题，研究人员通过低温还原法构建Cu2O/g-C3N4 p-n异质结，实现可见光下TCH氧化率97.65%、Cr(VI)还原率86.3%，协同效应使双污染物体系降解效率优于单一体系。该研究为同步治理有机-重金属复合污染提供了新策略。

　　

随着工业快速发展，水体中抗生素和重金属复合污染已成为严峻的环境问题。四环素类抗生素（TCH）难以自然降解，而六价铬（Cr(VI)）的毒性是Cr(III)的100倍，两者通过食物链累积严重威胁生态系统和人体健康。传统光催化技术存在可见光利用率低、载流子复合快等瓶颈，亟需开发高效稳定的新型催化剂。

天津大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，通过热聚合法与低温还原技术制备Cu₂O/g-C₃N₄ p-n异质结。该材料在60分钟可见光照射下，对TCH和Cr(VI)的去除率分别达97.65%和86.3%，且双污染物体系中的催化效率显著高于单一体系。循环7次后仍保持90.3%（TCH）和68.62%（Cr(VI)）的活性，展现出优异的稳定性。

关键技术包括：X射线衍射（XRD）表征晶体结构、电子自旋共振（ESR）检测自由基、液相色谱-质谱（LC-MS）解析降解路径、光电化学测试评估载流子分离效率。

研究结果

1. 材料表征：XRD证实成功构建异质结，Cu₂O的（111）晶面与g-C₃N₄的（200）晶面共存。紫外-可见光谱显示复合材料光吸收边红移，带隙优化至2.25 eV。
2. 催化性能：Cu₂O/g-C₃N₄-0.5在双污染物体系中表现最佳，TCH降解效率较纯Cu₂O提升4.29倍，归因于p-n结内建电场促进电荷分离。
3. 机制分析：ESR证明•O₂^?是主要活性物种，能带结构分析揭示TCH氧化由空穴（h⁺）驱动，Cr(VI)还原依赖电子（e^?）。LC-MS鉴定出TCH的3种降解路径，包括脱甲基和羟基化反应。

结论与意义
该研究通过能带工程构建的p-n异质结，首次实现抗生素氧化与重金属还原的协同增效。材料中Cu₂O的高分散性增强了导电性，而g-C₃N₄的稳定框架防止铜物种溶出。这种"一石二鸟"策略为复杂水体污染治理提供了新思路，兼具科学创新性与工程应用价值。