石墨毡基底电化学氧化双修饰策略构建ZnIn2S4光阳极高效降解雷尼替丁及NDMA毒性控制研究

针对水体中雷尼替丁(RAN)转化产生致癌物NDMA的风险，研究人员通过电化学氧化等低成本基底修饰策略构建ZnIn2S4/石墨毡(GF-E/ZIS)复合光阳极，实现92.06%的PEC降解效率，反应速率提升17倍，并通过调控ZIS形貌与界面肖特基结抑制载流子复合，为安全废水处理提供新思路。

　　

随着医药污染物在水体中的持续检出，雷尼替丁(RAN)在转化过程中易生成强致癌物N-亚硝基二甲胺(NDMA)的问题日益凸显。传统光催化技术存在载流子复合率高、催化剂回收困难等瓶颈，而复杂催化剂修饰方法又面临成本高昂的挑战。在此背景下，国内研究人员创新性地提出通过基底修饰策略同步优化电极性能与催化剂结构的新思路。

研究团队采用酸处理、碱处理、煅烧和电化学氧化四种低成本方法修饰石墨毡(GF)基底，通过水热法在其表面生长ZnIn₂S₄(ZIS)纳米片阵列。通过拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)等表征手段，结合密度泛函理论(DFT)计算，系统分析了基底修饰对材料性能的影响机制；采用瞬态光电流响应(TPR)和电化学阻抗谱(EIS)评估电荷传输性能；通过液相色谱-质谱联用(LC-MS)和绿豆发芽实验评估降解路径与生态毒性。

研究结果部分：

3.1 表征分析

电化学氧化的GF-E基底展现出最高的I_D/I_G比值(1.74)和丰富含氧官能团，其负载的ZIS形成150-300 nm间距的纳米片阵列，比表面积提升至5.45 m²/g。XPS显示Zn 2p结合能位移达0.4 eV，证实界面强相互作用。

3.2 光催化性能

GF-E/ZIS在0.6 V偏压下实现92.07%的RAN去除率，反应速率(0.0193 min^-1)为未修饰样品的17倍。在pH 3-9范围内保持高效降解，六次循环后效率仍达78%。

3.3 活性物种

电子顺磁共振(EPR)证实·O₂^-为主要活性物种，捕获实验显示其贡献率达54.05%，其次为¹O₂(66.63%)。

3.4 降解路径与毒性

Fukui函数计算表明二甲基胺(N₃₆)和硝基(O₄₁/O₄₂)为易攻击位点。降解后溶液NDMA生成潜能降低至19.01%，绿豆发芽率从27.5%恢复至82.5%。

3.5 作用机制

DFT计算显示GF-E的功函数(5.04 eV)与ZIS(4.40 eV)形成更强肖特基势垒，界面电荷转移量达0.17 e^-，促进载流子分离。UPS证实修饰后基底功函数提升0.38 eV。

该研究通过"基底-催化剂"双修饰策略，同步解决了光电极活性位点不足和载流子复合两大难题。电化学氧化处理的GF-E基底不仅优化了ZIS的形貌与结晶度，更通过增强界面电荷转移构建了高效肖特基结。相较于传统催化剂修饰方法，这种基底导向的调控策略更具成本优势，为规模化制备高性能光电极提供了新范式。研究还揭示了RAN降解过程中NDMA生成位点的精准阻断机制，为医药污染物安全处理提供了理论和实践依据。