纳米反应器限域饱和蒸汽压策略构建氰基修饰石墨相氮化碳纳米棒高效光降解四环素

本研究针对抗生素废水处理难题，创新性地采用SiO2纳米管模板作为纳米反应器，通过限域效应促进氰基（-C≡N）修饰，成功制备出具有大比表面积（84.16 m2/g）和窄带隙（2.45 eV）的g-C3N4纳米棒（C-CN NRs）。该材料可见光下降解四环素（TC）的效率达原始g-C3N4的16.44倍，为设计高效光催化剂提供了新思路。

　　

抗生素污染已成为全球性环境挑战，其中四环素（TC）因其化学稳定性强、水产养殖业滥用等特点，在废水中的浓度可达20 mg/L。传统处理方法面临效率低下、二次污染等瓶颈，而半导体光催化技术虽展现出潜力，但常用石墨相氮化碳（g-C₃N₄）存在电荷复合率高、可见光响应不足等缺陷。贵州大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表创新成果，通过将纳米结构设计与缺陷工程相结合，开发出具有突破性性能的氰基修饰g-C₃N₄纳米棒。

研究采用三大关键技术：1）以SiO₂纳米管（SiO₂-NT）为硬模板构建限域空间；2）利用DMF（二甲基甲酰胺）作为氰基源；3）选用富氮前体3-氨基-1,2,4-三唑（ATz）调控材料 stoichiometry（化学计量比）。通过X射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）等表征手段证实了氰基的成功引入。

【材料制备与表征】
SiO₂-NT模板的纳米限域效应促使ATz与DMF形成氢键网络，高温热解后获得直径约50 nm的棒状结构。氮吸附测试显示C-CN NR-1比表面积达84.16 m²/g，是块体g-C₃N₄（BCN）的3.2倍。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在2170 cm^-1处出现氰基特征峰，XPS N 1s谱中399.6 eV峰进一步验证了-C≡N的存在。

【光电性能优化】
紫外-可见漫反射光谱显示C-CN NR-1带隙降至2.45 eV，可见光吸收边红移至505 nm。瞬态光电流响应增强4.7倍，电化学阻抗谱（EIS）弧半径缩小，表明氰基作为电子陷阱显著促进了电荷分离。密度泛函理论（DFT）计算揭示氰基修饰诱导了新的电子态 near Fermi level（费米能级附近）。

【光催化机制】
在可见光下，C-CN NR-1对TC的降解率在90分钟内达93.4%，速率常数（0.0253 min^-1）是BCN的16.44倍。猝灭实验和EPR检测证实•O₂^-是主要活性物种。液相色谱-质谱联用（LC-MS）鉴定了8种降解中间体，毒性评估显示大部分产物毒性显著降低。

该研究开创性地将模板法与氰基修饰策略耦合，突破了传统熔盐法不均匀掺杂的局限。所开发的材料兼具大比表面积和优化的电子结构，为抗生素废水处理提供了新型高效催化剂。特别值得注意的是，DMF作为氰基源的应用属首次报道，这种"纳米反应器限域饱和蒸汽压"策略可拓展至其他功能材料的精准设计。研究成果对推动光催化技术在环境治理领域的实际应用具有重要指导意义。