高效可见光驱动的S型异质结光催化剂ZnO/Bi3O4Br构建及其在四环素与染料污染物降解中的应用研究

本研究针对水体中难降解抗生素（如TCH、CIP）和染料污染物（如RhB、MB）的治理难题，通过PVP辅助水热法成功构建S型异质结光催化剂ZnO/Bi3O4Br（1%ZB）。该材料具有扩大的可见光吸收范围、优化的介孔结构和电荷分离效率，对RhB、TCH等污染物降解率高达99.9%，为水环境修复提供了新型高效解决方案。

　　

随着工业化的快速发展，水环境中抗生素和有机染料污染问题日益严峻。四环素类抗生素（TCs）和罗丹明B（RhB）等污染物因其化学稳定性高、难降解的特性，在环境中长期残留，严重威胁生态平衡和人类健康。传统处理方法如物理吸附和生物降解存在效率低、易产生二次污染等缺陷，而半导体光催化技术因其绿色、高效的特点成为研究热点。然而，单一光催化剂如ZnO存在可见光利用率低、载流子复合快等问题，铋基材料Bi₃O₄Br虽具有层状结构和内建电场，但其导带位置限制了氧化还原能力。

针对这一挑战，西南大学的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表研究，通过聚乙烯吡咯烷酮（PVP）辅助水热法，首次构建了具有纳米片层结构的S型异质结光催化剂ZnO/Bi₃O₄Br（1%ZB）。该材料通过能带工程和形貌调控，实现了对RhB、四环素盐酸盐（TCH）等污染物的高效降解，其中RhB在40分钟内降解率达99.9%，并系统阐明了其反应机制。

研究采用X射线衍射（XRD）、紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）、电子顺磁共振（EPR）等技术表征材料结构，通过自由基捕获实验和电化学分析揭示活性物种。结果表明：1%ZB具有更大的比表面积（48.6 m²/g）和介孔结构，可见光吸收边红移至520 nm，电荷转移电阻降低至纯Bi₃O₄Br的1/3。光催化实验中，除RhB外，对TCH、亚甲基蓝（MB）和环丙沙星（CIP）的降解率分别达98.6%、93.1%和91.1%。研究还发现pH=5时TCH降解最优，共存离子中CO₃^2?抑制效应最显著。

材料表征：XRD证实ZnO与Bi₃O₄Br成功复合且结晶度高；SEM显示PVP调控形成的纳米片厚度仅20-30 nm；XPS证明界面存在Zn-O-Bi化学键，促进电荷转移。

光电性能：莫特-肖特基测试表明1%ZB的平带电位负移0.12 V，EPR检测到强•O₂^?和•OH信号，证实S型机制保留强氧化还原能力。

降解路径：LC-MS分析提出TCH的两条降解途径：羟基化反应和哌嗪环开环，最终矿化为CO₂和H₂O。

该研究创新性地将S型电荷转移机制与形貌调控相结合，为解决水体复合污染提供了新材料设计思路。1%ZB在宽pH范围和复杂水质中保持高稳定性，5次循环后降解率仅下降4.3%，其工业化应用潜力显著。研究成果为发展可持续环境修复技术提供了重要理论依据和实践指导。