猪粪固体/g-C3N4杂化光催化剂的构建及其对亚甲基蓝废水的高效协同处理机制

针对g-C3N4吸附性能差和光催化活性低的瓶颈问题，南昌牧原公司的研究人员创新性地利用猪粪固体中的无机半导体（SiO2等）与g-C3N4构建Z型异质结杂化光催化剂。通过超声分散法实现材料紧密复合，该催化剂展现出对亚甲基蓝(MB)的快速吸附和高效降解性能，既解决了畜禽粪便污染难题，又为废水处理提供了新型绿色材料。

　　

随着畜禽养殖业规模化发展，猪粪处理已成为严峻的环境挑战。传统堆肥还田方式因处理成本高昂而逐渐减少，而未妥善处理的猪粪会通过渗滤污染土壤和水源。与此同时，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为新兴非金属光催化剂，虽在能源环境领域展现出应用潜力，但其比表面积小、载流子复合率高的缺陷严重制约了实际废水处理效果。如何通过绿色低成本方法同步解决这两大难题，成为环境材料领域的研究热点。

江西省科学院和南昌牧原有限公司的研究团队另辟蹊径，将这两种看似不相关的物质——环境污染物猪粪与光催化剂g-C₃N₄进行复合，开发出具有Z型异质结结构的杂化光催化剂。研究发现，猪粪固体中丰富的含氧官能团（羧基、羟基等）能与g-C₃N₄表面的氨基通过静电作用紧密结合，而其含有的无机半导体SiO₂等成分更可与g-C₃N₄形成促进电荷分离的异质结。这种"变废为宝"的设计思路，不仅实现了猪粪固体的资源化利用，更显著提升了光催化体系的污染物处理效率，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》。

研究团队采用超声分散混合法构建杂化体系，通过元素分析(ICP-MS)和比表面积测试(BET)表征材料组成，利用紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)和电化学阻抗谱(EIS)分析光电性能。实验选用养殖场脱水猪粪为原料，与尿素热解法自制的g-C₃N₄按特定比例复合。

Sample preparation

通过550℃煅烧尿素制备g-C₃N₄，将脱水猪粪在100℃干燥48小时后研磨，采用超声辅助使两者均匀混合。材料表征显示猪粪固体含15.76wt%碳元素和2.65wt%氮元素，其多孔结构为污染物吸附提供丰富位点。

Results and discussion

杂化材料对亚甲基蓝(MB)的吸附容量达纯g-C₃N₄的3.2倍，这归因于猪粪的负电表面与MB阳离子的静电吸引。光催化实验表明，90分钟内对MB的降解率达96%，其表观速率常数是纯g-C₃N₄的2.8倍。机理分析证实，SiO₂/g-C₃N₄界面形成的Z型异质结有效分离了光生电子-空穴对，而猪粪中的碳骨架作为电子传输桥梁进一步增强了电荷转移。

Conclusions

该研究开创性地将农业废弃物转化为功能材料组分，构建的Z型异质结体系通过"吸附-光催化"协同机制显著提升污染物去除效率。这种策略既降低了催化剂制备成本，又为畜禽粪便资源化利用提供了新思路，对发展绿色环境技术具有双重意义。研究团队特别指出，猪粪中硅元素的生物富集特性使其成为天然半导体前驱体，这种"源于自然，用于自然"的设计理念值得在环境材料领域推广。