太阳能驱动双Z型Ag3PO4/g-C3N4/Bi2WO6异质结高效光催化降解环丙沙星抗生素研究

针对水体中抗生素污染治理难题，研究人员开发了具有双Z型电子传递路径的Ag3PO4/g-C3N4/Bi2WO6三元异质结光催化剂。实验表明该材料在自然太阳光下90分钟内对环丙沙星（CIP）的降解效率达94%，活性氧物种（ROS）•OH和•O2?起主导作用，为废水处理提供了高效可持续的解决方案。

　　

随着工农业快速发展，抗生素等有机污染物通过农业径流、制药废水和未经充分处理的污水进入水体，不仅造成生态毒性，更通过诱导耐药菌产生威胁公共卫生安全。其中，氟喹诺酮类抗生素环丙沙星（Ciprofloxacin, CIP）的持久性残留尤为突出。传统处理方法如吸附和生物降解存在效率低、成本高等缺陷，而二氧化钛（TiO₂）等光催化剂受限于仅能利用紫外光的特性。因此，开发可见光响应的新型光催化材料成为研究热点。

针对这一挑战，摩洛哥伊本·佐尔大学阿加迪尔理学院（Faculté des Sciences d'Agadir, Université Ibn Zohr）的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，通过共沉淀法构建了Ag₃PO₄/g-C₃N₄/Bi₂WO₆三元异质结光催化剂。该材料创新性地采用双Z型（dual Z-scheme）电子传递路径，在保留组分强氧化还原能力的同时显著提升电荷分离效率。实验证实其在自然太阳光下对CIP的降解率较单一组分提高2倍以上，蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）进一步揭示了污染物在催化剂表面的稳定吸附构型。

关键技术方法包括：X射线衍射（XRD）和电子显微镜（SEM/TEM）表征材料结构，自由基捕获实验鉴定活性物种，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析光吸收特性，以及通过吸附能（E_ad）计算评估污染物与催化剂的相互作用。

【XRD分析】
衍射峰证实成功构建了三元异质结，g-C₃N₄的特征峰（27.4°）与Bi₂WO₆的（131）晶面峰（28.38°）共存，Ag₃PO₄的立方相结构（33.3°）保持完整，表明复合过程未破坏各组分的晶体结构。

【光催化性能】
在pH=7、催化剂剂量1 g/L条件下，90分钟内CIP降解率达94%，速率常数分别是单一Ag₃PO₄、g-C₃N₄和Bi₂WO₆的2.1倍、3.7倍和5.3倍。无机阴离子实验显示Cl^?和NO₃^?会竞争活性位点，而SO₄^2?影响较小。

【作用机制】
自由基捕获实验证实•OH和•O₂^?是主要活性物种。提出的双Z型机制包含两条电子传递路径：（1）Ag₃PO₄导带（CB）电子转移至g-C₃N₄价带（VB）；（2）Bi₂WO₆导带电子转移至Ag₃PO₄价带，使g-C₃N₄和Bi₂WO₆分别保留强还原性和氧化性。

该研究通过巧妙的异质结设计解决了单组分材料光生电荷易复合的瓶颈问题，蒙特卡洛模拟为理解污染物-催化剂相互作用提供了新视角。M. Rhaya等作者开发的这种太阳光驱动催化剂，在实际废水处理中展现出巨大应用潜力，为应对全球抗生素污染挑战提供了可持续的技术方案。