等离子体工程化Bi/CAU-17光催化剂：太阳光驱动盐酸四环素高效降解机制与应用

针对水体中盐酸四环素(TCH)传统光催化剂可见光利用率低、载流子复合快等问题，研究人员创新设计Bi/CAU-17异质结光天线/反应中心系统，通过Bi表面等离子体共振(SPR)效应与CAU-17金属有机框架协同作用，实现60分钟内99.6%的TCH降解效率，速率常数提升9.45倍，为抗生素污染治理提供新策略。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战，其中盐酸四环素(TCH)因其高水溶性(1.7 g/L)和环境持久性，在河流中浓度可达500 ng/L以上，不仅诱发抗生素耐药基因传播，更可能造成微生物群落不可逆的生态临界点。传统光催化剂面临可见光响应范围窄（CAU-17带隙3.05 eV仅吸收紫外光）、载流子复合速率高（τ=0.8 ns，复合速率1.2×10⁹ s^-1）等瓶颈。

中国的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，提出将非贵金属铋(Bi)的等离子体效应与CAU-17金属有机框架结合，构建"光天线/反应中心"系统。通过原位还原法在CAU-17表面生成Bi纳米颗粒，形成原子级Bi—O—Bi界面桥，利用Bi的表面等离子体共振(SPR)效应捕获可见光产生"热电子"，并借助CAU-17的微孔结构防止Bi纳米颗粒聚集。

关键技术包括：1) 原位还原法构建Bi/CAU-17异质结；2) 电子自旋共振(ESR)检测活性氧物种；3) 生态毒性多物种评估（鱼类、水蚤、绿藻及大鼠模型）；4) 实际水体降解验证。

【材料表征】SEM/TEM显示Bi/CAU-17-40呈六方棱柱形貌，Bi纳米颗粒均匀分散于CAU-17表面，XPS证实Bi⁰/Bi³⁺共存态。紫外-可见漫反射光谱显示SPR效应使吸收边红移至550 nm。

【光催化性能】优化后的Bi/CAU-17-40在可见光下60分钟降解99.6% TCH，速率常数(k=0.066 min^-1)较纯CAU-17提升9.45倍。自由基捕获实验表明•O₂^-是主导活性物种，ESR检测到DMPO-•O₂^-特征信号。

【机制分析】SPR效应产生局域电磁场增强光吸收，CAU-17的导带(-0.42 eV)与Bi的费米能级(-0.28 eV)形成肖特基势垒，促进电子定向转移。原位红外显示TCH通过脱甲基和开环反应逐步矿化。

【生态验证】四级生物测试表明降解产物对斑马鱼、大型溞、小球藻的96小时急性毒性降低98%以上，大鼠经口LD₅₀>5000 mg/kg，证实安全矿化。实际湖水降解效率保持92.3%。

该研究突破性地将等离子体光天线概念与MOF反应中心整合，为解决抗生素污染提供了兼具高效性（太阳光驱动）与经济性（非贵金属）的解决方案。通过原子级界面工程和生态安全验证，为环境功能材料设计提供了新范式，尤其对发展中国家水处理技术具有重要实践价值。