鱼鳞状磁性共价有机框架复合材料的合成及其在LED可见光下光催化降解水中四环素和染料的研究

针对水体中难降解抗生素和染料污染问题，研究人员创新性地构建了具有鱼鳞状结构的COF/ZIF(ZnFe)/CoFe2O4三元复合材料。该材料通过Z型电荷分离机制和H2O2协同作用，在可见光下实现87%四环素降解率，兼具磁回收性能和四次循环稳定性，为双有机框架-磁性材料体系设计提供新范式。

　　

随着抗生素在医疗和养殖业的广泛应用，四环素类污染物在水环境中持续累积，传统污水处理工艺难以有效去除这类顽固性有机污染物。更棘手的是，这类物质会诱导微生物产生耐药性，通过食物链最终威胁人类健康。与此同时，印染废水中的偶氮染料具有"三致"风险，其复杂的芳香环结构使得常规生物处理效率低下。面对这些挑战，开发兼具高效降解能力和可回收特性的新型光催化材料成为环境科学领域的研究热点。

伊朗国家科学基金会(INSF)支持的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表创新成果，受生物鱼鳞结构启发，设计出COF(共价有机框架)/ZIF(ZnFe)(沸石咪唑酯框架)/CoFe₂O₄三元磁性复合材料。研究人员采用分级合成策略，通过调控COF含量(0.15-0.6 g)制备出三种不同比例的复合材料，系统考察了其对四环素(100 mg/L)和亚甲基蓝的降解性能。令人振奋的是，最优组COF/ZIF(ZnFe)-L/CoFe₂O₄-1在自然pH条件下，通过Z型电荷传输机制和H₂O₂活化协同作用，实现87%的四环素降解率，且四次循环后活性未见明显下降。

关键技术方法包括：通过溶剂热法构建ZIF(ZnFe)双金属框架；采用室温共沉淀制备CoFe₂O₄磁性组分；通过席夫碱反应合成具有Ar-C=N特征峰的COF；借助FTIR、XRD、SEM-EDS等多维表征确认材料结构；使用PL光谱分析载流子分离效率；通过自由基捕获实验阐明降解机制。

【材料表征】
FTIR显示1646 cm^-1处Ar-C=N键特征峰，证实COF成功合成；XRD证明各组分晶体结构完整保留；SEM观察到独特的鱼鳞状分级结构，这种形貌既增加比表面积又促进光散射吸收；VSM测试显示饱和磁化强度达35 emu/g，确保磁回收可行性。

【性能优化】
对比实验表明，含0.15 g COF的COF/ZIF(ZnFe)/CoFe₂O₄-1性能最优，归因于：① 优化的孔结构实现TCN吸附-降解协同；② Z型异质结保留强氧化还原电位；③ CoFe₂O₄促进H₂O₂转化为•OH自由基。动力学分析符合一级反应模型，速率常数达0.025 min^-1。

【机制研究】
自由基捕获实验揭示h⁺和•OH是主要活性物种，EPR检测到明显的DMPO-•OH特征信号。提出的Z型机制中：COF的CB(-1.2 eV)电子转移至ZIF(ZnFe)的VB(+1.8 eV)，既抑制电子-空穴复合，又维持COF空穴(+1.5 eV)的强氧化能力。

这项研究开创性地将双有机框架与磁性尖晶石结合，其创新价值体现在：① 仿生结构设计实现光吸收-质量传输协同优化；② 磁分离特性解决纳米催化剂回收难题；③ 为抗生素污染控制提供绿色解决方案。Bahareh Rabeie和Niyaz Mohammad Mahmoodi构建的"吸附-催化-分离"一体化系统，为复杂水体污染物治理提供了可扩展的技术模板。