BiVO4-聚乙烯醇复合材料：一种兼具高效光催化与抗菌性能的新型废水处理策略

推荐：本研究针对纺织废水中有害且难降解的活性黄染料（reactive yellow dye）和微生物污染问题，开发了BiVO4/PVA（1:3）纳米复合材料。通过共沉淀法合成的该材料在140分钟内实现91.3%的染料降解率（带隙2.03 eV），并展现对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的协同抗菌效应。其独特的三维纳米片结构和高稳定性（7次循环）为双功能水处理技术提供了新思路。

　　

随着工业废水排放加剧，活性黄染料等难降解有机物和病原微生物对水生态系统构成双重威胁。这类染料具有高度稳定性，其降解产物如芳香胺可能致癌；而传统处理方法如活性污泥法成本高昂且效率有限。更棘手的是，现有半导体光催化剂如纯BiVO₄存在载流子复合快、可见光利用率低等问题，且鲜有材料能同步解决化学污染和生物污染。

针对这一挑战，巴基斯坦古吉拉特大学（University of Gujrat）物理系的Rabia Shahzad团队创新性地将钒酸铋（BiVO₄）与聚乙烯醇（PVA）复合，开发出兼具高效光催化与抗菌性能的纳米材料。研究发现，BiVO₄/PVA（1:3）复合材料在可见光下对活性黄染料的降解率高达91.3%，远超同类材料（如Au/BiVO₄对MO染料8小时降解率仅78%），同时对大肠杆菌和镰刀菌等微生物表现出显著抑制效果。该成果发表于《RSC Advances》，为双功能水处理技术开辟了新路径。

研究采用共沉淀法合成材料，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征晶体结构与形貌，紫外-可见光谱（UV-vis）和光致发光光谱（PL）分析光学特性，并结合自由基捕获实验阐明机制。抗菌实验采用琼脂扩散法测定抑菌圈，并通过误差分析验证数据可靠性。

光学与结构特性

UV-vis显示BiVO₄/PVA（1:3）的吸收边红移至513 nm，带隙降至2.03 eV，显著提升可见光捕获能力。SEM观察到该材料具有三维不规则纳米颗粒聚集和剥离纳米片结构，比表面积达30 nm，为污染物吸附提供更多活性位点。XRD证实其立方相结构（晶格参数α=β=γ=90°），结晶度优于单一组分。

光催化性能

在pH=4、55℃条件下，BiVO₄/PVA（1:3）在140分钟内降解91.3%的活性黄染料，速率常数（K）达0.1931。循环实验表明其7次使用后效率仅轻微下降，而自由基捕获实验证实超氧自由基（˙O₂^?）和羟基自由基（˙OH）是降解主要活性物种。PL光谱显示复合材料有效抑制了电子-空穴复合，这与FTIR检测到的PVA-O键（646 cm^?1）协同作用相关。

抗菌与抗真菌活性

抑菌圈直径测试显示，BiVO₄/PVA对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制区分别达28 mm和30 mm，最小抑菌浓度（MIC）降至20-25 μg/mL。抗真菌实验表明其对罗氏菌（Rosselinia necatrix）和镰刀菌（Fusarium spp.）的MIC分别为0.05-0.09 μg/mL和10 μg/mL，误差分析（偏差<0.6）证实数据可靠。EDX证实材料纯度，而抗菌机制归因于光生ROS破坏微生物细胞膜。

该研究通过巧妙的材料设计，将BiVO₄的窄带隙特性与PVA的稳定性和分散性结合，不仅解决了单一组分光催化效率低的问题，还赋予材料抗菌功能。其突破性体现在三方面：一是创纪录的染料降解效率（较同类材料时间缩短50%以上）；二是首次在BiVO₄基材料中实现抗菌-光催化双功能；三是通过纳米片结构设计和界面工程显著提升稳定性。这种"一材双效"策略为复杂废水处理提供了新思路，未来可通过制备功能性薄膜进一步推动实际应用。