钨磷共掺杂石墨相氮化碳(g-C3N4)的多功能光催化材料：氮固定、污染物降解与抗菌性能研究

本研究通过简易煅烧法合成钨(W)和磷(P)共掺杂的石墨相氮化碳(WP-CN)，解决了传统光催化剂可见光利用率低、载流子复合率高的问题。0.15WP-CN在N2光固定(130 μmol·L?1·h?1·gcat?1)、有机污染物降解(RhB/TC/CPS去除率>86%)、Cr(VI)还原(95%)及抗菌(E. coli/S. enterica)方面表现卓越，为环境修复与能源转化提供新策略。

　　

研究背景
在环境治理与清洁能源需求激增的当下，光催化技术被视为解决污染与能源危机的"绿色钥匙"。然而传统半导体如TiO₂(~3.2 eV)和ZnO(~3.37 eV)因宽带隙仅能利用5%的紫外光，且存在量子效率低下的瓶颈。石墨相氮化碳(g-C₃N₄)虽具2.7 eV窄带隙优势，但本征材料存在可见光吸收弱、比表面积小等缺陷。如何通过原子级调控实现"一材多用"，成为突破光催化技术应用边界的关键科学问题。

越南国立大学胡志明市分校的研究团队创新性地选用磷钨酸(PTA)作为双元素前驱体，通过一步热聚合法构建W-P共掺杂g-C₃N₄(WP-CN)，在《Inorganic Chemistry Communications》发表了这项涵盖能源转化、环境修复与生物医学的跨界研究。

关键技术
研究采用煅烧法制备不同PTA含量的WP-CN(0.05-0.20 g)，通过FTIR、XPS等表征确认W/P成功掺杂；UV-Vis DRS和PL证明光吸收增强与载流子分离改善；电化学测试(EIS、Mott-Schottky)揭示界面电荷转移机制；自由基捕获实验明确•O₂^?和e^?的主导作用；抗菌实验采用琼脂扩散法和DNA断裂分析。

研究结果

1. 材料特性
   XPS显示W 4f和P 2p特征峰，证实W⁶⁺和P⁵⁺成功掺入CN骨架；UV-Vis DRS显示吸收边红移至550 nm，带隙降至2.45 eV；PL强度降低80%表明载流子复合被抑制。

2. 光催化性能
   0.15WP-CN的NH₃产率较纯CN提升6倍(130 vs 22 μmol·L^?1·h^?1·g_cat^?1)；RhB降解符合一级动力学(k=0.025 min^?1)，120分钟去除率达99.36%；Cr(VI)还原效率达95%，4次循环后活性保持92%。

3. 抗菌机制
   WP-CN对E. coli和S. enterica的抑菌圈直径分别为14.3 mm和12.8 mm，DNA电泳显示基因组明显断裂，证实活性氧(ROS)介导的杀菌途径。

结论与意义
该研究开创性地利用PTA单前驱体实现W/P协同掺杂，通过引入中间能级和局部电荷场，同时解决CN材料的光吸收窄、载流子寿命短两大核心问题。0.15WP-CN在氮固定、污染物降解、重金属还原和抗菌四重功能上的卓越表现，为开发"四位一体"环境修复材料提供新范式。特别是•O₂^?主导的反应机制，突破了传统•OH依赖型催化体系对pH的敏感性限制。研究成果对实现太阳能驱动的"碳中和"技术路线具有重要指导价值。