玉米秸秆生物炭修饰的g-C3N4/BiOBr S型异质结协同降解喹诺酮类抗生素研究

为解决喹诺酮类抗生素（如ENR和NOR）在垃圾渗滤液中的污染问题，兰州大学研究人员通过构建玉米秸秆生物炭（BC）修饰的g-C3N4/BiOBr S型异质结（BC/CN/BOB-3），实现了高效吸附-光催化协同降解。该复合材料在可见光下80分钟内对ENR的去除率达93.51%，且循环稳定性优异。研究通过EPR和自由基捕获实验证实h+为主导活性物种，并阐明了S型载流子传输机制，为农业废弃物资源化及抗生素污染治理提供了新策略。

　　

随着畜牧业的快速发展，喹诺酮类抗生素（QNs）如恩诺沙星（ENR）和诺氟沙星（NOR）被广泛用于动物疾病防治，但其过度使用导致环境残留问题日益严重。这些抗生素通过粪便渗滤液进入水体，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。传统处理方法如物理吸附和化学氧化存在效率低、能耗高、易产生二次污染等缺陷。相比之下，光催化降解技术因其高效环保特性成为研究热点，但现有催化剂对垃圾渗滤液中QNs的针对性处理仍存在可见光利用率低、载流子复合率高等挑战。

针对这一难题，兰州大学的研究团队创新性地利用农业废弃物玉米秸秆制备生物炭（BC），结合石墨相氮化碳（g-C₃N₄）和溴氧化铋（BiOBr），通过煅烧-水热法构建了BC/CN/BOB-3 S型异质结光催化剂。该研究发表于《Applied Surface Science》，通过宏观实验、微观表征与理论计算相结合的方法，系统解析了材料的结构-性能关系。关键技术包括：扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）表征材料形貌，X射线光电子能谱（XPS）分析元素价态，电子顺磁共振（EPR）检测活性物种，以及电化学阻抗谱（EIS）评估载流子分离效率。

材料结构分析
SEM显示玉米秸秆生物炭呈现蜂窝状结构（图2a），g-C₃N₄为二维纳米片（图2b），而BiOBr呈纳米花球状（图2d）。在BC/CN/BOB-3复合材料中，三者形成紧密界面接触（图S1），XRD证实了g-C₃N₄和BiOBr的特征峰共存（图3a），XPS揭示了Bi-O-C键的存在（图4d），证实了S型异质结的成功构建。

光催化性能评估
BC/CN/BOB-3在可见光下对ENR和NOR的降解率分别达到93.51%（80分钟）和94.72%（180分钟），是纯g-C₃N₄的3.39倍和2.45倍（图5）。循环实验表明材料稳定性良好，5次循环后降解率仍保持90%以上（图6）。自由基捕获实验发现h⁺是主要活性物种（图7a），EPR检测到•O₂^-和•OH信号（图7b-c），证实了S型机制中电子-空穴对的有效分离。

降解机制解析
紫外可见漫反射（UV-Vis DRS）显示复合材料吸收边红移至550 nm（图8a），带隙计算表明BC/CN/BOB-3（2.45 eV）较纯g-C₃N₄（2.70 eV）具有更优的可见光响应（图8b）。莫特-肖特基测试证实g-C₃N₄和BiOBr的费米能级差形成内建电场（IEF）（图9），驱动电子沿"S"型路径迁移（图10），既保留强氧化还原能力，又抑制了载流子复合。LC-MS鉴定了ENR降解的7种中间体（图11），提出了哌嗪环裂解和脱氟反应的降解路径（图12）。

该研究通过农业废弃物衍生生物炭与S型异质结的协同设计，实现了垃圾渗滤液中喹诺酮类抗生素的高效降解。材料兼具吸附富集和光催化氧化双重功能，BC的高导电性促进了电荷分离，而S型机制优化了载流子迁移路径。研究不仅为抗生素污染治理提供了新型光催化剂，还开创了"以废治废"的绿色技术路线，对推动农业废弃物资源化和环境污染修复具有双重意义。作者Dongmei Ma等强调，该策略可扩展至其他难降解有机污染物的治理，未来需进一步优化材料规模化制备工艺以适应实际工程应用需求。