新型Z型异质结BiFeO3/CaSnO3的构建及其可见光催化降解四环素的增效机制研究

针对抗生素污染物降解难题，研究人员通过水热法构建了0D/3D多维Z型异质结BiFeO3/CaSnO3光催化剂。该材料在可见光下对四环素(TC)的降解率提升至82%（速率常数0.0096 min?1），较单一组分提高3-4倍，且循环稳定性优异。研究通过XPS/ESR等揭示了Z型电荷转移机制及h+/·OH/·O2?活性物质的作用，为环境修复提供了高效催化剂设计新策略。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。四环素类(TCs)抗生素因代谢残留特性，通过废水持续进入生态系统，传统处理工艺难以有效降解其抗菌结构。半导体光催化技术虽能利用太阳能驱动污染物矿化，但面临量子效率低、可见光响应不足等瓶颈。针对这一难题，中国某高校研究团队创新性地将窄带隙铁电材料BiFeO₃与宽带隙钙钛矿CaSnO₃复合，构建出具有Z型电荷转移机制的0D/3D异质结光催化剂，相关成果发表于《Materials Science and Engineering: R: Reports》。

研究采用共沉淀-水热联用法合成材料，通过XRD、XPS、UV-vis等技术表征晶体结构与光吸收特性，结合ESR和捕获实验阐明反应机制。结果显示：立方体CaSnO₃的SnO₆八面体框架为BiFeO₃纳米颗粒提供分散载体，形成比表面积优化的0D/3D结构。最优配比BCa10（10% BiFeO₃负载量）展现出650 nm红移吸收边，可见光下TC降解率较单一组分提升3-4倍。

关键发现

1. 结构特性：XRD证实成功构建纯相异质结，TEM显示20-50 nm BiFeO₃均匀锚定于300 nm CaSnO₃立方体表面，形成紧密界面接触。
2. 电荷机制：Mott-Schottky测试结合能带计算揭示Z型转移路径，光生电子从CaSnO₃的CB（-1.12 eV）向BiFeO₃的VB（+2.58 eV）迁移，保留强氧化性h⁺与强还原性e^?。
3. 活性物质：捕获实验证实h⁺、·OH和·O₂^?共同主导TC降解，ESR检测到特征DMPO-·OH/·O₂^?信号强度增强3倍。
4. 稳定性：5次循环后活性仅降低8%，XPS显示循环后Fe³⁺/Sn⁴⁺价态稳定，结构未发生光腐蚀。

该研究通过能带工程与维度调控的协同设计，突破了单一半导体材料的性能限制。Z型机制不仅促进电荷分离，还拓宽了可见光响应范围，为开发高效环境修复催化剂提供了新思路。特别是材料低毒性（BiFeO₃溶解度低于食盐）与低成本特性，使其具备实际应用潜力，对解决抗生素污染这一全球性环境问题具有重要意义。