构建强内置电场与广谱吸收的氮化碳光催化剂实现四环素高效光降解：性能、机制与毒性评估

针对传统石墨相氮化碳(CN)光催化剂可见光捕获能力有限、电荷分离效率低的问题，研究人员通过2,2'-联吡啶-5,5'-二甲醛(BD)与尿素热共聚，成功构建了具有增强表面电势差(104.3 mV)和宽光谱响应(700 nm)的改性材料。该催化剂实现四环素(TC)100%降解，反应速率提升6倍，并通过DFT模拟、ESR和LC-MS揭示了降解路径与毒性机制，为环境修复提供了新策略。

　　

随着抗生素在医疗和农业领域的广泛应用，四环素类污染物在水环境中的累积已构成严峻挑战。这类污染物不仅会诱导微生物耐药性，其降解中间产物还可能具有更高生态毒性。传统处理方法存在能耗高、二次污染等问题，而光催化技术因其绿色可持续特性备受关注。在众多光催化剂中，石墨相氮化碳(g-C₃N₄，简称CN)因其独特的电子结构和化学稳定性成为研究热点，但其本征性能受限于狭窄的光响应范围(<450 nm)和快速电子-空穴复合。

针对这一科学难题，吉林师范大学环境友好材料制备与应用教育部重点实验室的研究团队创新性地采用2,2'-联吡啶-5,5'-二甲醛(BD)作为分子掺杂剂，通过热共聚法构建了具有强内置电场和广谱光吸收的改性CN材料。相关成果发表在《Environmental Research》上，为解决环境水体抗生素污染提供了新思路。

研究团队主要运用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，通过紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光吸收特性，结合开尔文探针力显微镜(KPFM)量化表面电势差，并采用电子自旋共振(ESR)捕获活性氧物种(ROS)。降解实验选用四环素(TC)作为模型污染物，借助液相色谱-质谱联用(LC-MS)解析中间产物，辅以密度泛函理论(DFT)计算阐明电子结构变化。

【结构形貌表征】XRD显示BD掺杂保留了CN的(100)和(002)晶面特征峰，但峰强减弱且宽化，表明成功引入结构缺陷。SEM图像证实改性材料形成疏松多孔结构，比表面积显著增加，有利于活性位点暴露。

【光电性能优化】KPFM测试显示45-BDCN样品表面电势差达104.3 mV，较原始CN(27.4 mV)提升3.8倍，证实强内置电场的形成。UV-Vis DRS表明光吸收边红移至近700 nm，实现了可见光-近红外区域的宽谱捕获。

【降解性能评估】在模拟太阳光下，45-BDCN对TC的60分钟降解率达100%，反应速率常数(k值)为原始CN的6倍。通过自由基捕获实验和ESR检测，证实•O₂^-和¹O₂是主要活性物种。

【机制与毒性解析】LC-MS鉴定出11种中间产物，DFT计算显示BD的吡啶环引入改变了CN的电子云分布，促进e^--h⁺分离。毒性评估表明降解产物生态毒性显著降低，验证了技术的环境安全性。

该研究通过分子工程策略同步解决了CN材料光响应范围窄和电荷分离效率低两大瓶颈问题。所构建的BDCN材料不仅将光催化活性光谱拓展至近红外区，更通过增强内置电场有效抑制载流子复合，为设计高效金属-free光催化剂提供了范式。特别值得注意的是，研究通过多尺度表征技术完整揭示了"结构-性能-机制"关系，并系统评估了降解路径的生态风险，对推动光催化技术实际应用具有重要指导价值。