Z型异质结磷钨酸铵/CdS复合光催化剂的构建及其对四环素的高效降解机制研究

为解决抗生素污染难题，研究人员通过水热法制备了Z型异质结PW12NH4/CdS复合光催化剂，实现了可见光下60分钟99.7%的四环素降解率。该研究通过XRD、SEM等技术证实材料成功构建，自由基捕获实验揭示·O2?和hVB+为关键活性物质，为抗生素废水处理提供了高效稳定的解决方案。

　　

抗生素滥用导致的环境污染已成为全球性难题。据统计，10%-70%的抗生素以原药形式排入环境，不仅诱发耐药基因，还会破坏生态系统。传统水处理技术对这类污染物束手无策，而光催化技术因其高效环保特性被视为曙光。然而，常见光催化剂如磷钨酸铵(PW₁₂NH₄)存在带隙宽、载流子复合快等缺陷，硫化镉(CdS)虽能响应可见光却易发生光腐蚀。如何构建兼具宽光谱响应与高稳定性的催化体系，成为突破技术瓶颈的关键。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究团队创新性地将PW₁₂NH₄与CdS复合，通过精确调控能带结构构建Z型异质结。研究采用水热法合成PW₁₂NH₄纳米颗粒，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂在其表面沉积CdS纳米晶。通过X射线衍射(XRD)确认材料保持Keggin结构，扫描电镜(SEM)显示CdS均匀分散在200nm的PW₁₂NH₄立方体表面。紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)证实复合材料的光吸收边拓展至570nm，荧光光谱(PL)显示载流子复合率显著降低。

在光催化性能方面，PW₁₂NH₄/CdS(1:2)展现出惊人效率：60分钟内对20mg/L四环素的降解率达99.7%，速率常数是单一组分的9.5倍。通过自由基捕获实验和电子顺磁共振(EPR)证实，超氧自由基(·O₂^?)和空穴(h_VB⁺)是主要活性物质。X射线光电子能谱(XPS)结合能带计算揭示了Z型异质结机制：CdS导带(-0.98eV)的电子与PW₁₂NH₄价带(+3.36eV)的空穴复合，保留强氧化还原能力的载流子参与反应。

液相色谱-质谱联用(LC-MS)解析了降解路径：四环素分子先后经历脱氨、开环等过程，最终矿化为CO₂和H₂O。该材料在pH3-11宽范围内保持高效，且经5次循环后活性仍超91%，XRD证实结构稳定性优异。

这项发表于《Results in Chemistry》的研究，不仅为抗生素降解提供了新型Z型异质结催化剂设计范式，更通过能带工程实现了可见光驱动的高效电荷分离。其创新点在于：首次将PW₁₂NH₄的强氧化能力与CdS的可见光响应特性通过Z型机制协同，解决了传统异质结氧化还原能力削弱的难题。该成果对发展绿色水处理技术具有重要指导价值，为多酸基复合材料的环境应用开辟了新思路。