电氧化石墨毡基底双重修饰策略构建ZnIn2S4光阳极及其高效降解雷尼替丁的机制研究

本研究针对水体中药物污染物雷尼替丁(RAN)降解效率低及N-亚硝基二甲胺(NDMA)生成风险问题，通过电氧化等四种低成本方法修饰石墨毡(GF)基底，构建了ZnIn2S4(ZIS)复合光阳极。GF-E/ZIS展现出92.06%的RAN去除率和17倍提升的反应动力学，通过形成肖特基结促进载流子分离，有效分解RAN的二甲胺和硝基基团，降低NDMA生成风险。绿豆发芽实验证实处理水毒性显著降低，为低成本高性能光电极设计提供了新思路。

　　

随着医药产业的快速发展，雷尼替丁(RAN)等药物污染物在水体中的检出频率日益升高。这类物质不仅难以生物降解，更令人担忧的是其在转化过程中易生成强致癌物N-亚硝基二甲胺(NDMA)。传统光催化技术虽能降解有机污染物，但存在催化剂回收困难、载流子复合率高等瓶颈。如何开发兼具高效稳定性和低成本的光电极材料，成为环境治理领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究团队创新性地从电极基底改造入手，在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》发表了突破性研究成果。他们采用电氧化、酸处理、碱处理和煅烧四种简易方法修饰石墨毡(GF)基底，通过水热法在其表面生长ZnIn₂S₄(ZIS)光催化剂，构建了系列复合光阳极。研究通过基底修饰与催化剂形貌调控的"双重修饰"策略，实现了光电极性能的全面提升。

研究团队主要运用了以下关键技术：拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)表征基底修饰效果；扫描电镜(SEM)观察ZIS纳米片阵列形貌；瞬态光电流测试(TPR)和电化学阻抗谱(EIS)分析电荷传输特性；电子顺磁共振(EPR)鉴定活性氧物种；密度泛函理论(DFT)计算界面电荷转移机制；以及液相色谱-质谱联用(LC-MS)解析降解路径。

3.1 表征分析

电氧化处理的GF-E基底展现出最高的缺陷密度(I_D/I_G=1.74)和丰富的含氧官能团。SEM显示GF-E/ZIS形成150-300 nm间距的规整纳米片阵列，比表面积达5.45 m²/g，是未修饰样品的4.43倍。XPS证实Zn 2p结合能位移达0.4 eV，表明基底与ZIS存在强相互作用。

3.2 光电催化性能

在0.6 V偏压下，GF-E/ZIS对RAN的去除率达92.06%，反应速率常数(0.0193 min^-1)是GF/ZIS的17倍。该材料在pH 3-9范围内保持高效降解性能，六次循环后效率仍超78%。对比实验证实光电协同作用使降解效率超过光催化和电催化之和。

3.3 活性物种

捕获实验结合EPR分析表明，超氧自由基(·O₂^-)是主要活性物种，单线态氧(¹O₂)次之。DFT计算的福井函数显示RAN的N₃₆、O₄₂等位点易受攻击，导致二甲胺基团优先分解，使NDMA生成潜能降低至19.01%。

3.4 毒性评估

绿豆发芽实验显示，处理水组的发芽率(82.5%)和芽长(48 mm)接近纯水组，显著优于原液组(27.5%，5 mm)，证实降解产物生态毒性显著降低。

3.5 增强机制

UPS测试显示GF-E的功函数(4.73 eV)与ZIS(4.26 eV)形成更大势垒。DFT计算证实修饰基底与ZIS界面存在0.17电子转移，诱导产生的内建电场和肖特基结有效促进了光生电子-空穴分离。

这项研究通过创新的"基底诱导双重修饰"策略，同步优化了电极基底性质和催化剂形貌结构。电氧化处理的GF-E基底不仅自身具备优异的导电性和亲水性，更诱导ZIS形成规整纳米片阵列，使光电极兼具大比表面积、高效电荷分离和丰富活性位点等优势。研究为低成本高性能光电极设计提供了新范式，对实现医药废水安全处理具有重要实践意义。特别是提出的NDMA风险控制策略，为含氮有机物降解的毒性评估提供了新思路。该工作将材料界面工程与环境健康风险管控有机结合，展现了交叉学科研究在解决复杂环境问题中的独特价值。