可见光驱动Co3O4/KTaO3 p-n异质结协同过一硫酸盐高效降解左氧氟沙星的作用机制

针对抗生素污染治理难题，研究人员构建了Co3O4/KTaO3 p-n异质结光催化剂，通过可见光活化过一硫酸盐(PMS)实现左氧氟沙星(LVFX)高效降解。实验表明5%-CoT/PMS/Vis体系40分钟降解率达98.3%，循环4次仍保持90.1%活性，揭示了·O2?、h+和SO4?·的主导作用，为光催化-PMS耦合技术提供新思路。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的重大挑战。作为第三代氟喹诺酮类抗生素，左氧氟沙星(LVFX)在人体内代谢率不足30%，大量原型药物通过排泄进入水体，不仅诱发微生物耐药性，还可能通过食物链威胁人类健康。传统水处理技术难以有效降解这类"持久性有机污染物"，亟需开发绿色高效的新型处理方案。

南京信息工程大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表创新成果，通过构建Co₃O₄/KTaO₃ p-n异质结光催化剂，实现了可见光驱动过一硫酸盐(PMS)协同降解LVFX的高效体系。该研究巧妙结合了KTaO₃的稳定电子传输特性和Co₃O₄的强光吸收能力，同时解决了纯Co₃O₄易团聚、钴离子溶出的技术瓶颈。

研究采用水热法制备KTaO₃基底，通过湿法浸渍负载Co₃O₄纳米颗粒，结合X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等表征手段确认材料结构。通过液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析降解中间产物，结合电子顺磁共振(ESR)和自由基捕获实验阐明反应机制，并利用密度泛函理论(DFT)计算能带结构和工作函数验证电荷转移路径。

材料特性
XRD分析显示成功构建了立方相KTaO₃(JCPDS 38-1470)与尖晶石结构Co₃O₄的复合体系。UV-Vis DRS证实复合材料可见光吸收边红移至650nm，带隙降至1.82eV。X射线光电子能谱(XPS)证实界面处Co-O-Ta键的形成，为p-n异质结提供直接证据。

降解性能
优化后的5%-CoT/PMS/Vis体系在40分钟内实现98.3%的LVFX降解率，表观速率常数达0.0823 min^?1，是单一光催化或PMS氧化的4.6倍。体系在pH 3-9范围内保持稳定活性，且Cl^?、NO₃^?等常见阴离子影响轻微。循环实验显示催化剂四次使用后降解率仍达90.1%，钴离子溶出浓度仅为0.28 mg/L。

作用机制
ESR检测到明显的·O₂^?和SO₄^?·信号，捕获实验证实三者对降解贡献排序为：h⁺(42.3%) > ·O₂^?(31.5%) > SO₄^?·(26.2%)。DFT计算显示KTO(100)和Co₃O₄(311)晶面的功函数差形成内置电场，促进光生电荷分离。LC-MS鉴定出8种中间产物，推测降解路径包括哌嗪环断裂、脱氟反应和喹诺酮核氧化。

该研究不仅开发出具有实际应用潜力的新型水处理催化剂，更通过能带工程阐明了p-n异质结促进PMS活化的微观机制。所提出的"光生电子转移-PMS活化-自由基攻击"协同模型，为设计高效能环境催化材料提供了理论指导，对解决抗生素污染这一全球性环境问题具有重要意义。