基于碳气凝胶/ZnO/Cu2-xS的S型异质结光催化剂高效降解水杨酸的环境修复研究

针对新兴污染物(EP)水杨酸(SA)的水体污染问题，巴西圣保罗大学团队开发了Cu2-xS/ZnO/碳气凝胶(CX)复合光催化剂。通过构建S型异质结，该材料在300分钟内实现太阳光下SA完全降解及可见光下59%降解，矿化率分别达90%和62%。研究为可持续水处理技术提供了新思路。

　　

随着工业发展和人类活动加剧，水杨酸(SA)等新兴污染物(EP)在水体中的积累已成为重大环境挑战。这种广泛存在于药物、化妆品中的顽固分子，不仅难以被传统水处理工艺降解，过量暴露还会导致神经毒性和听力损伤。更棘手的是，作为阿司匹林代谢产物的SA在自然水体中持续累积，常规半导体光催化剂如TiO₂和ZnO又存在可见光利用率低、电荷复合率高等瓶颈。

巴西圣保罗大学洛雷纳工程学院(Escola de Engenharia de Lorena-EEL/USP)的Ikaro Tessaro团队创新性地将黑荆树单宁衍生的碳气凝胶(CX)与Cu_2-xS/ZnO复合，构建了双S型异质结光催化系统。该研究通过精确调控铜的氧化态(Cu⁺/Cu²⁺)，在600°C热解条件下制备的7.5% Cu_2-xS/ZnO/0.25CX复合材料展现出突破性性能：不仅实现太阳光下SA的完全降解，在可见光区也获得59%的降解效率，矿化程度分别高达90%和62%。机理研究表明，碳气凝胶作为电子介质不仅拓宽了光吸收范围，更通过稳定Cu_1.97S和Cu₂S的共存态，形成内建电场促进羟基自由基(^·OH)和超氧阴离子(O₂^·-)的持续生成。生物毒性测试证实处理后的水体生态风险显著降低，为实际应用提供了关键依据。该成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

关键技术包括：X射线衍射(XRD)分析晶体结构、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光吸收特性、电子顺磁共振(EPR)检测活性氧物种、高效液相色谱(HPLC)定量SA降解率，以及植物毒性实验评估环境安全性。

【材料表征】XRD证实复合材料中成功形成Cu_1.97S(六方晶系)与Cu₂S(四方晶系)的混合相，CX的引入使ZnO晶格产生压缩应变，通过Rietveld精修计算出7.3%的晶格畸变率。这种独特的晶体结构为电荷分离提供了有利条件。

【光电性能】UV-Vis DRS显示复合材料吸收边红移至650nm，禁带宽度从纯ZnO的3.2eV降至2.1eV。莫特-肖特基测试证实CX的引入使平带电位负移0.38V，显著提升光生电子迁移率，瞬态光电流响应增强4.7倍。

【降解机制】EPR捕获实验鉴定出^·OH和O₂^·-为主要活性物种，淬灭实验表明其对SA降解的贡献率分别为61%和29%。原位红外光谱追踪到苯环开裂生成马来酸等中间体，最终矿化为CO₂的完整路径。

【环境应用】水芹发芽实验显示，经最优材料处理后的SA溶液使根长抑制率从78%降至12%，表明该方法能有效消除生态风险。加速老化测试证实材料在连续使用5次后仍保持83%的初始活性。

该研究通过多尺度调控实现了三个突破：首次利用生物质碳稳定Cu_2-xS的混合价态，创制出可见光响应型S异质结；阐明碳介质在空间电荷层重构中的作用机制；建立从分子降解到生态毒理的全链条评估体系。不仅为EP治理提供了新材料，更为设计非贵金属光催化剂开辟了新思路。特别值得注意的是，采用黑荆树单宁这种可再生资源制备碳气凝胶，使材料成本降低60%，契合可持续发展需求。未来通过优化CX孔隙结构，有望进一步提升污染物传质效率，推动该技术走向实际应用。