壳聚糖增强Cu-Cu2O光催化剂可见光降解水体中氟喹诺酮类抗生素的机制研究

针对抗生素污染水体的治理难题，研究人员开发了壳聚糖增强的Cu-Cu2O-CTs光催化剂，通过抑制电子-空穴复合、提升可见光利用率，实现恩诺沙星(ENR)99.99%的降解率，并解析了以O2•?为主导的活性氧攻击哌嗪环氮原子的降解路径，为抗生素废水处理提供了高效环保的解决方案。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。以恩诺沙星(ENR)为代表的氟喹诺酮类抗生素，因其结构稳定、难降解的特性，在低光照水体中长期累积，不仅诱发耐药菌产生，还会破坏藻类光合作用，威胁整个水生生态系统。传统处理方法难以有效解决这类"顽固分子"，而光催化技术因其绿色高效的特点被视为突破口。台湾成功大学的研究团队创新性地将天然高分子壳聚糖(CTs)与铜基半导体结合，开发出具有可见光响应的Cu-Cu₂O-CTs光催化剂，相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

研究采用湿化学还原法构建复合材料，通过X射线衍射(XRD)确认Cu₂O的立方晶系结构，结合紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析光吸收特性。光电化学测试包括光致发光谱(PL)、电化学阻抗谱(EIS)和莫特-肖特基曲线揭示电荷分离机制，并借助液相色谱-质谱联用(LC-MS)追踪降解路径，辅以密度泛函理论(DFT)计算预测反应位点。

结构表征显示，壳聚糖的引入使催化剂比表面积增大3.8倍，可见光吸收边红移约50nm。光电性能证实CTs作为电子桥梁，使电荷转移电阻降低65%，光电流密度提升2.3倍。降解实验表明，优化后的Cu-Cu₂O-CTs在120分钟内实现ENR近乎完全矿化，循环4次后效率仍保持70%以上。机理分析发现超氧自由基(O₂^•?)是主要活性物种，DFT计算的福井函数指出哌嗪环上N15、N16原子最易受攻击。路径解析通过LC-MS鉴定出3种降解途径：哌嗪环开环、喹诺酮骨架断裂和羟基化反应，毒性预测显示中间产物生态风险显著降低。

该研究不仅证实壳聚糖修饰可同步解决Cu₂O的光腐蚀和载流子复合难题，更通过多尺度分析揭示了抗生素分子精准降解的"靶点突破"机制。这种"天然高分子-金属氧化物"协同策略为设计低成本、高效率的水处理材料提供了新范式，其提出的"活性氧定向攻击"理论对复杂有机污染物降解具有普适指导意义。