基底调制诱导ZnIn2S4光电极的双重修饰增强光电催化降解雷尼替丁并降低其毒性

推荐：针对药物污染物雷尼替丁(RAN)在水体中的残留及其转化为致癌物NDMA的风险，研究人员通过低成本基底修饰策略制备了ZnIn2S4(ZIS)复合光电极。电化学氧化处理的GF-E/ZIS展现出92.06%的PEC降解效率，反应速率提升17倍，并通过调控ZIS形貌与界面电荷转移机制显著降低毒性风险，为安全废水处理提供了新思路。

　　

随着制药工业的发展，雷尼替丁(RAN)等药物污染物在水体中被频繁检出，其缓慢的生物降解性和易转化为强致癌物N-亚硝基二甲胺(NDMA)的特性，对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统的高级氧化工艺虽能有效降解这类污染物，但光催化剂回收困难、改性成本高等问题制约了实际应用。光电催化(PEC)技术通过外电压促进光生载流子分离，兼具高效性和可回收优势，然而现有光电极制备多聚焦于催化剂本身的复杂修饰，对电极基底的关键作用缺乏系统研究。

针对这一科学问题，国内某研究机构的研究团队创新性地提出通过基底调制实现光电极"双重修饰"的策略。他们采用酸处理、碱处理、煅烧和电化学氧化四种低成本方法改性石墨毡(GF)基底，通过水热法在其表面生长ZnIn₂S₄(ZIS)制备系列复合光阳极。相关成果发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上，为解决药物污染物处理难题提供了新方案。

研究团队主要运用了电化学氧化基底修饰、水热合成、光电化学表征（包括循环伏安法、电化学阻抗谱和瞬态光电流测试）、电子顺磁共振波谱(EPR)检测活性物种、液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析降解路径，以及密度泛函理论(DFT)计算界面电荷转移等关键技术。通过绿豆发芽实验评估了降解溶液的生物毒性变化。

基底修饰优化ZIS生长机制

表征结果显示，电化学氧化处理的GF-E基底具有最丰富的含氧官能团和缺陷结构，其I_D/I_G值达1.74。这种改性不仅增强了基底本征性能，更意外地诱导ZIS形成均匀的纳米片阵列结构（间距150-300nm），相比未改性GF/ZIS的团聚形态，GF-E/ZIS比表面积提升4.43倍至5.45 m²/g。XRD证实GF-E/ZIS中ZIS结晶度最佳，XPS结合能位移表明基底与催化剂存在强相互作用。

光电催化性能显著提升

GF-E/ZIS展现出卓越的综合性能：紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)显示其光吸收能力最强；瞬态光电流密度达58.06 μA/cm²，是原始样品的6.3倍；电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻(R_ct)最低（2.799 Ω/cm²）。在0.6V偏压下，对10 mg/L RAN的PEC降解效率达92.06%，反应速率常数0.0193 min^-1，较未改性样品提升17倍。循环实验表明经过6次使用后仍保持78%以上的降解效率。

活性物种与降解路径解析

EPR和捕获实验证实·O₂^-是主要活性物种（降解贡献54.05%），¹O₂次之（贡献66.63%）。DFT计算的Fukui函数显示RAN中二甲胺基和硝基为易攻击位点，LC-MS鉴定的降解路径包括羟基化、氧化和去甲基化等反应。关键中间体TP300和TP255的生成证实了致癌前体结构的破坏，NDMA生成潜能测试显示处理后溶液NDMA FP降至19.01%。

生态毒性显著降低

绿豆发芽实验显示，经GF-E/ZIS处理的溶液使种子发芽率从原始溶液的27.5%恢复至82.5%，芽长从5mm增至48mm（接近纯水组的53mm），证实降解产物毒性显著降低。DFT计算揭示改性基底与ZIS的功函数差增大至0.64eV，形成更强的肖特基势垒，界面电荷转移量从0.07e增至0.17e，有效抑制了光生电子回流。

该研究通过创新的"基底诱导双重修饰"策略，同步优化了电极基底性能和催化剂生长形态，突破了传统单一修饰的局限。电化学氧化处理的GF-E/ZIS光电极兼具成本优势（四种方法中最廉价）和卓越性能，其92.06%的RAN降解效率和17倍速率提升显著优于多数报道的改性ZIS材料。研究不仅阐明了基底修饰影响ZIS生长的机制，更通过界面电荷转移理论和肖特基结效应揭示了性能增强的本质原因。从实际应用角度看，该技术操作简便、稳定性好，处理后的废水毒性风险显著降低，为制药废水等难降解有机污染物的安全治理提供了可靠方案，对推动光电催化技术从实验室走向工程应用具有重要价值。