将基于磺化三联苯的超交联聚合物接枝到Bi2WO6上，以增强对抗生素的吸附和光消除性能

《Green Energy & Environment》：Grafting Sulfonated Triptycene-Based Hypercrosslinked Polymers onto Bi 2WO 6 for Enhanced Adsorption and Photoelimination of Antibiotics

光催化降解抗生素污染的高效异质结催化剂设计：通过磺化超交联聚合物增强吸附性能与Z型异质结协同效应，20% BWO@STHP催化剂对OTC、DOX和TC的降解速率常数分别提高9.69倍和13.45倍，并展现优异循环稳定性。

　　抗生素作为新兴污染物，因其在医疗和农业领域的广泛使用以及难以被生物降解的特性，对生态环境和人类健康构成了潜在威胁。近年来，针对抗生素污染问题，科研人员开发了多种光催化剂以实现高效的去除效果。然而，这些催化剂在低浓度污染物的处理中面临诸多挑战，例如质量传递效率低，导致实际应用中的性能表现不尽理想。为了解决这一问题，研究团队设计了一种新型的二元异质结催化剂（x% BWO@STHP），该催化剂由Bi₂WO₆（BWO）与磺酸化的三苯基超交联聚合物（STHP）复合而成。通过优化材料结构和功能化设计，该催化剂在吸附性能和光催化降解能力方面均展现出显著优势。

### 研究背景与意义

抗生素因其在人类医疗和农业中的广泛应用，成为环境中普遍存在的污染物。尽管其浓度较低，但抗生素具有较强的生物累积和生物放大效应，通过食物链逐渐富集，最终对生态系统和人体健康产生严重影响。因此，开发高效、环保且经济可行的抗生素去除技术显得尤为重要。传统的处理技术如吸附、芬顿反应和生物降解虽然在一定程度上能够去除污染物，但普遍存在效率低、成本高以及可能产生二次污染等问题。相比之下，光催化技术因其高效性、低成本和环境友好性，被认为是解决抗生素污染问题的有力工具。

光催化剂的性能往往受到多种因素的影响，如光的利用率、光生电子-空穴对的分离效率以及对污染物的吸附能力。BWO作为一种Bi基半导体材料，因其独特的层状结构和良好的光氧化能力，被广泛用于抗生素的降解研究。然而，其在实际应用中仍存在可见光吸收能力不足、电子-空穴对的复合率较高以及与低浓度污染物接触不充分等问题。因此，提高催化剂的光利用效率、增强电子-空穴对的分离能力以及优化吸附性能，成为提升光催化性能的关键方向。

### 材料设计与合成

为了克服上述问题，研究团队采用了一种自组装的空心BWO微球作为载体，并通过搅拌辅助水热法将STHP负载在其表面。STHP是一种具有高比表面积和丰富孔结构的超交联聚合物，其表面的磺酸基团（–SO₃H）能够增强催化剂的亲水性，并通过离子相互作用显著提升对抗生素的吸附能力。此外，STHP的高比表面积有助于提高催化剂与污染物的接触效率，从而改善光催化反应的性能。

在催化剂的合成过程中，首先制备了THP（三苯基超交联聚合物），然后通过氯磺酸对THP进行磺化处理，得到STHP。接着，采用水热法合成BWO，并通过APTES对BWO表面进行改性，以增强其与STHP的结合能力。最后，将STHP与BWO按照预定比例混合，通过水热反应合成x% BWO@STHP复合材料。这种合成方法不仅保证了催化剂的结构稳定性，还提升了其对污染物的吸附与降解能力。

### 材料表征与性能分析

为了深入理解催化剂的结构和性能，研究团队对其进行了多方面的表征分析。通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析，确认了BWO和STHP的晶体结构和元素组成。结果显示，STHP的引入并未改变BWO的晶体结构，而是通过界面相互作用增强了其电子传递能力。此外，通过N₂吸附-脱附实验，研究团队测定了催化剂的比表面积和孔径分布。THP的比表面积高达1178.29 m²/g，而STHP的比表面积为567.76 m²/g，这表明磺化过程对材料的孔结构产生了一定影响。

进一步的光催化性能测试表明，20% BWO@STHP催化剂在降解氧四环素（OTC）、强力霉素（DOX）和四环素（TC）方面表现出卓越的性能。在光照条件下，20% BWO@STHP能够在15分钟内完全降解OTC和DOX，其光催化反应速率常数分别比纯BWO提高了9.69倍和13.45倍。此外，该催化剂在降解其他污染物如双酚A（BPA）和磺胺甲噁唑（SMX）时也展现出较高的效率，分别为61.5%和73.4%。这些结果表明，20% BWO@STHP在处理多种污染物方面均表现出优异的性能。

### 吸附与光催化协同机制

吸附性能是提升光催化效率的重要因素。STHP的高比表面积和表面磺酸基团能够有效增强对污染物的吸附能力，特别是在低浓度条件下，这种吸附作用能够显著提高污染物与催化剂活性位点的接触效率，从而提升降解效果。研究团队通过吸附动力学实验发现，OTC和DOX在不同催化剂上的吸附过程均能在2分钟内达到平衡，表明该催化剂具有快速吸附的能力。

在光催化降解过程中，催化剂的性能不仅依赖于其吸附能力，还与光生电子-空穴对的分离效率密切相关。研究团队通过电化学阻抗谱（EIS）、瞬态光电流响应测试以及稳态荧光光谱（PL）等手段，评估了催化剂的光利用效率和电子-空穴对的分离能力。结果显示，20% BWO@STHP的电荷转移阻抗较低，光电流密度较高，表明其具有良好的电子-空穴分离能力。同时，PL光谱显示，该催化剂的发光强度显著低于纯BWO和STHP，进一步验证了其高效的光生载流子分离性能。

### 反应机理与活性物种分析

为了进一步揭示20% BWO@STHP的降解机制，研究团队通过电子自旋共振（EPR）技术检测了反应过程中产生的活性物种。实验发现，在光照条件下，•OH和•O₂^–是主要的活性物种，其浓度随着光照时间的延长而显著增加。此外，通过自由基捕获实验，研究团队确认了这些活性物种在降解过程中的作用。结果显示，当使用异丙醇（IPA）和乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）作为•OH和h⁺的捕获剂时，OTC的降解速率分别降低了99.7%和95.5%，表明•OH和h⁺在降解过程中发挥了重要作用。

进一步的液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析揭示了OTC的降解路径。研究发现，OTC在催化剂作用下经历了多种反应途径，包括甲基化、环开裂、脱水、氧化等过程，最终转化为小分子产物并矿化为CO₂和H₂O。这些中间产物的结构和质荷比（m/z）被详细记录，并通过对比分析进一步验证了反应路径的可行性。

### 实际应用与可重复使用性

催化剂的可重复使用性是其在实际应用中的重要考量因素。研究团队对20% BWO@STHP进行了四次循环实验，发现其在每次循环后仍能保持较高的降解效率，甚至能够完全降解OTC。这表明该催化剂具有良好的稳定性和重复使用性能，能够在实际水处理过程中持续发挥作用。此外，该催化剂在不同污染物的处理中表现出广泛的适用性，为实际应用提供了坚实的基础。

### 总结与展望

综上所述，20% BWO@STHP催化剂通过结合高比表面积的STHP和高效的光催化材料BWO，成功实现了对多种抗生素污染物的高效去除。该催化剂不仅具有优异的吸附性能和光催化活性，还展现出良好的可重复使用性，为水污染治理提供了新的思路和解决方案。未来的研究可以进一步探索该催化剂在实际水体中的应用效果，并优化其合成工艺以提高其在大规模水处理中的适用性。此外，研究团队还可以通过引入其他功能化材料，拓展该催化剂的应用范围，使其能够处理更广泛的污染物。这些研究将有助于推动光催化技术在环境保护领域的深入发展。