利用新型rGO桥接的Bi?MoO?-CoTiO? Z型复合体系提升光催化性能，用于有机污染物降解及H?O?生成：分析表征、作用机制与毒性评估

《Surfaces and Interfaces》：Enhanced Photocatalytic Performance for Organic pollutants degradation and H 2O 2 Production Using a novel rGO-bridged Bi?MoO?-CoTiO? Z-scheme Composites: Analytical characterization, Mechanism and toxicity assessment

本研究成功合成Bi?MoO?-CoTiO?/rGO光催化复合材料，通过优化水热法参数（温度、反应时间、RGO含量）显著提升其可见光响应性能。实验表明该复合材料可同步实现高效H?O?生成（>95%）与DOX降解（>98%），其机理源于异质结形成的内置电场增强电荷分离，RGO通过导电网络促进电荷传输并扩大表面积。ESR证实?O??和?OH为主要降解活性物种，电化学分析显示体系具有优异稳定性（循环5次后活性保持率>90%）。该成果为绿色水处理技术提供了多功能催化剂新方案。

　　氢氧化物（H?O?）作为一种广泛应用的绿色氧化剂，其在消毒、水处理以及其他化学反应中的作用已得到广泛认可。H?O?能够分解为水和氧气，不产生有害残留，这使其成为传统氧化剂的理想替代品。然而，目前工业上主要采用蒽醌法生产H?O?，该方法不仅能耗高、成本昂贵，还涉及危险的有机溶剂，从而对环境和经济性造成潜在威胁。因此，寻找一种更加环保、经济的H?O?生产方式成为研究的重点。

近年来，光催化剂技术因其环保性、低成本和高效性在水和空气净化以及污染物去除方面展现出巨大潜力。光催化剂通过利用光能，尤其是太阳光，来激活化学反应，从而实现对污染物的降解。这一技术在应对环境挑战方面具有重要作用，特别是在可见光驱动的条件下，光催化生产H?O?已成为一种可行的绿色选择。这种技术的优势在于可以实现H?O?的现场和按需生产，从而降低运输和储存过程中的安全风险。

与此同时，制药污染物，如多西环素（DOX），已成为威胁水生生态系统和人类健康的重要因素。DOX是一种广泛使用的四环素类抗生素，其在水体中的残留可能对生态环境造成长期影响，并且还可能促进抗生素耐药性（AMR）的发展。传统废水处理方法在去除这类微污染物方面效果有限，导致其在地表水和地下水中的积累。光催化降解技术则提供了一种强有力的解决方案，能够利用光驱动的活性氧物种（ROS）将复杂的有机污染物分解为无害的无机化合物，如二氧化碳和水。将光催化降解与H?O?的生成相结合，可以进一步提升对顽固污染物的处理效率，因为H?O?作为一种强氧化剂，能够增强污染物的分解过程。

为了实现这一目标，研究者们致力于开发多功能的光催化剂，这些催化剂能够在可见光条件下同时高效生成H?O?并降解制药污染物。在这一领域，钴钛酸盐（CoTiO?）和铋钼酸盐（Bi?MoO?）作为两种具有互补特性的半导体材料，受到了广泛关注。Bi?MoO?因其强大的氧化能力和较小的带隙，被广泛用于污染物降解和活性氧物种的生成。然而，其光生载流子的快速复合限制了其在实际应用中的效率。相比之下，CoTiO?具有较宽的带隙和良好的化学稳定性，这使其成为一种理想的辅助半导体材料，能够促进Bi?MoO?中的有效电荷分离。通过构建Bi?MoO?和CoTiO?之间的异质结，可以形成一个内部电场，从而促进电荷的定向转移，并有效抑制电荷的复合，进而提升光催化活性。

为了进一步增强这种异质结系统的性能，研究者们引入了还原氧化石墨烯（RGO）。RGO作为一种高度导电的材料，能够提供一个良好的电子传输网络，同时具备较大的比表面积，有利于污染物的吸附。此外，RGO还能提供额外的活性位点，从而促进表面的氧化还原反应，这对H?O?的生成和DOX的降解至关重要。RGO的引入不仅改善了材料的光学性能，还显著增强了其在可见光条件下的电荷分离和传输效率，使其在环境修复和绿色化学生产方面展现出广阔的应用前景。

在本研究中，通过简便的水热法合成了一种新型的Bi?MoO?-CoTiO?/RGO复合光催化剂，旨在实现可见光驱动下的高效H?O?生成和同时降解DOX。为了全面评估该复合材料的性能，采用了多种表征技术，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）以及X射线光电子能谱（XPS）。这些技术用于确认复合材料的成功合成，并详细描述其结构、形态和化学特性。此外，通过调整RGO的浓度、水热反应的温度以及反应时间，研究者们进一步优化了合成条件，以提高材料的光催化活性。

为了量化H?O?的生成和DOX的降解效率，进行了系统的动力学研究。通过实验，可以确定在可见光照射下，H?O?的生成速率和DOX的降解速率。这些研究不仅揭示了材料在实际应用中的性能，还为优化其功能提供了重要的理论依据。此外，通过活性物种捕获实验、电子自旋共振（ESR）光谱和电化学分析，研究者们深入探讨了电荷转移路径和活性自由基的形成机制，从而揭示了该复合材料在可见光条件下实现双重功能的关键因素。

在实验过程中，RGO的引入对复合材料的稳定性、可回收性以及光催化性能产生了显著影响。研究结果表明，该复合材料在多次循环使用后仍能保持较高的光催化效率，这为其实用化奠定了坚实的基础。这种稳定性不仅体现在材料的结构完整性上，还体现在其在不同环境条件下的持续性能表现。RGO的高导电性有助于电荷的快速迁移，从而减少电荷复合的可能性，提高反应效率。

此外，该复合材料在可见光条件下的表现也优于传统的单一材料。通过系统的实验设计和优化，研究者们成功地提高了H?O?的生成速率和DOX的降解效率。这种双重功能的实现不仅有助于解决水体中的抗生素污染问题，还为H?O?的现场生产提供了新的思路。在实际应用中，这种复合材料可以用于水处理和绿色化学生产，具有重要的环境和经济价值。

本研究还通过响应面法（RSM）结合中心组合设计（CCD）对合成条件进行了系统优化。这种优化方法允许研究者们在多个变量之间找到最佳的组合，以实现最高的光催化效率。通过调整水热反应的温度、时间和RGO的含量，研究者们可以有效控制材料的结构和性能。这些优化不仅提高了H?O?的生成和DOX的降解效率，还为未来开发更高效的多功能光催化剂提供了参考。

综上所述，Bi?MoO?-CoTiO?/RGO复合材料的合成和优化为实现可见光驱动下的高效H?O?生成和制药污染物的降解提供了新的解决方案。这种材料的多功能性使其在环境修复和绿色化学生产中具有重要的应用潜力。通过深入研究其结构、性能和反应机制，可以进一步推动其在实际环境治理中的应用，为可持续发展提供技术支持。