m-PDI/BiOI有机-无机S型异质结催化剂高效光催化降解氧氟沙星耦合Cr(VI)还原研究

针对Cr(VI)与氧氟沙星(OFL)复合污染毒性高、传统处理技术效率低的问题，研究人员通过连续离子层吸附反应法构建m-PDI/BiOI S型异质结催化剂，实现40分钟内OFL降解率>99.5%、Cr(VI)在pH=9条件下还原效率达63.7%，揭示了S型电荷分离机制对提升光催化活性的关键作用，为复合污染治理提供新策略。

　　

水环境中重金属与抗生素的复合污染已成为全球性环境挑战。其中，六价铬Cr(VI)作为高毒性重金属，与第三代氟喹诺酮类抗生素氧氟沙星(OFL)形成的复合污染物，其生物毒性可达单一污染物的2-3倍。这类污染物在制药废水、水产养殖尾水中普遍存在，但传统物理吸附和化学沉淀技术难以有效处理其稳定的配体结构。光催化技术虽具潜力，却受限于载流子复合率高、氧化还原能力不足等瓶颈。

四川大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，通过连续离子层吸附反应法成功制备m-PDI/BiOI有机-无机S型异质结催化剂（mPB-3），实现OFL与Cr(VI)的高效协同去除。该研究创新性地利用苝二酰亚胺(PDI)的π-π堆叠结构增强光吸收，结合BiOI的层状结构优势，构建具有内部电场的S型异质结，使OFL在40分钟内降解率达99.5%以上，Cr(VI)在碱性条件(pH=9)下还原效率达63.7%。

关键技术包括：1) 通过XRD、XPS验证m-PDI与BiOI的复合结构；2) 采用自由基捕获实验阐明·O₂^-和h⁺为主导活性物种；3) 通过电化学测试证实S型异质结加速电子从m-PDI向BiOI迁移。

【结构表征】XRD显示m-PDI在12°的特征峰和24°-28°的π-π堆叠峰，XPS证实BiOI中Bi 4f_7/2和I 3d_5/2的特征峰位移，表明界面强相互作用。

【性能评估】mPB-3在可见光下对20 mg/L OFL的降解速率常数是纯BiOI的3.2倍，且能在高浓度腐殖酸(20 mg/L)和宽pH范围(3-11)保持稳定性。

【机制分析】ESR测试检测到·O₂^-和·OH信号，结合能带计算提出S型机制：m-PDI的导带电子(-1.12 eV)与BiOI的价带空穴(+2.37 eV)复合，保留m-PDI强氧化性空穴(+1.58 eV)和BiOI强还原性电子(-0.32 eV)。

该研究不仅证实S型异质结能突破传统光催化材料限制，还为设计多污染物协同处理系统提供理论依据。通过揭示Cr(VI)还原产物Cr(III)在BiOI表面的吸附行为，以及OFL经由哌嗪环裂解和脱氟反应的降解路径，为实际废水处理中复合污染的精准控制提供了技术支撑。研究获得四川省科技计划项目(2023NSFSC0841)和中央高校基本科研业务费(2023SCU12099)资助。