溶剂热法制备ZnO/BiOCl异质结光催化剂及其对四环素抗生素的高效太阳光催化降解

针对水体抗生素污染治理难题，泰国孔敬大学团队通过溶剂热法构建ZnO/BiOCl二元异质结光催化剂，实现紫外光下100分钟100%降解四环素(TC)，太阳光下240分钟98%去除率。该研究通过Z型机制显著提升载流子分离效率，速率常数达0.0546 min-1，为环境污染物治理提供新型高效光催化材料。

　　

随着抗生素在医疗和养殖业的广泛应用，四环素(TC)等难降解抗生素在水体中的残留已成为全球性环境问题。这类污染物不仅导致微生物耐药性增强，更通过食物链威胁生态系统和人类健康。传统处理方法存在转移污染或效率低下等缺陷，而半导体光催化技术因其可直接利用太阳能分解污染物的特性备受关注。然而，单一光催化剂如ZnO存在光腐蚀严重、BiOCl可见光响应差等问题，严重制约实际应用效果。

泰国孔敬大学（Khon Kaen University）化学系研究人员创新性地采用两步溶剂热法，通过将预先合成的ZnO纳米颗粒(50nm)掺入BiOCl合成体系，成功构建了ZnO/BiOCl二元异质结光催化剂。该材料在紫外光(135W汞灯)照射100分钟可实现四环素完全降解，在自然太阳光下(790 W/m²)240分钟去除率达98%，相关成果发表在《OpenNano》期刊。研究团队通过调控ZnO添加量(0.05-0.10g/1g BiOCl)获得最佳性能的0.05ZnO/BiOCl样品，其一级动力学速率常数达0.0546 min^-1，分别是纯ZnO和BiOCl的1.9倍和2.9倍。

关键技术方法包括：溶剂热合成ZnO和BiOCl组分，X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料结构，紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定带隙，光电化学测试分析载流子分离效率，以及羟基自由基捕获实验验证反应机制。

材料表征结果显示：

3.1 表征分析

XRD证实异质结保持BiOCl的四方相结构(JCPDS 06-0249)，ZnO特征峰因低含量未明显显现。XPS显示Zn 2p_3/2(1022.76eV)和Bi 4f_7/2(158.34eV)结合能位移，证实界面电子转移。UV-Vis显示带隙从BiOCl的3.30eV增至3.50eV，呈现量子限域效应。光致发光(PL)谱显示0.05ZnO/BiOCl荧光强度最低，表明最佳载流子分离效率。

光催化性能研究：

3.2 TC药物解毒

在10ppm TC溶液、50mg催化剂条件下，0.05ZnO/BiOCl表现出最优性能。光电化学测试证实其光电流密度最高(图7a)，电化学阻抗谱(EIS)显示最小弧半径(图7b)，均支持其优异的电荷传输能力。清除实验表明光生电子(e^-)是主要活性物种，加入K₂Cr₂O₇后降解率骤降至16%。

机制与稳定性：

Z型机制解释显示：ZnO的导带(CB,-0.30eV)与BiOCl的价带(VB,3.84eV)形成界面通道，促进e^--h⁺对分离。五次循环实验后材料仍保持94%以上活性，XRD和SEM证实结构稳定性。与文献对比(表1)，该材料在降解效率和太阳光利用率方面具有显著优势。

该研究通过精准设计ZnO/BiOCl异质结，成功解决了单一半导体光响应范围窄、载流子复合快的核心问题。所开发的溶剂热合成方法简便易行，材料在自然水体净化中展现出良好的应用前景，为达成联合国可持续发展目标(SDGs)中"清洁饮水和卫生设施"的要求提供了新技术路径。特别值得注意的是，该工作首次报道了ZnO/BiOCl体系在太阳光驱动TC降解中的卓越性能，为开发低成本、高效率的环境修复材料提供了重要参考。