Cu–Cu2O-rGO/Ti3C2 MXene复合光催化剂用于可见光降解废水中抗生素的研究及其机理分析

本研究针对废水中抗生素污染治理难题，开发了一种新型Cu–Cu2O-rGO/Ti3C2 MXene（CGTM）复合光催化剂。通过响应面法优化，在可见光照射下对四环素（TC）的降解效率达95%，且循环使用5次后仍保持85%活性。该材料通过协同效应显著提升电荷分离效率，为抗生素污染治理提供了高效稳定的解决方案。

　　

随着抗生素在医疗和养殖业的广泛使用，水体中抗生素污染已成为全球性环境问题。四环素（TC）作为典型抗生素，因其化学稳定性强、难自然降解，传统水处理方法难以有效去除，导致其在环境中持续累积，不仅破坏生态平衡，还可能加剧抗菌素耐药性（AMR）的传播。特别是COVID-19疫情期间抗生素滥用问题凸显，开发高效、经济且环保的深度处理技术迫在眉睫。

目前常用的吸附、电解、生物处理等方法存在降解不完全、产生有毒副产物等局限。高级氧化工艺（AOPs）尤其是光催化技术，能将污染物彻底矿化为CO₂和H₂O，被视为最有前景的解决方案。然而，单一组分光催化剂普遍存在光吸收能力差、载流子复合快、稳定性不足等问题。因此，构建复合型光催化剂，通过各组分的协同效应提升整体性能，成为当前研究热点。

在此背景下，伊朗设拉子大学研究团队在《Chemosphere》发表论文，报道了一种新型Cu–Cu₂O-rGO/Ti₃C₂ MXene（CGTM）复合光催化剂，用于高效降解四环素。该研究通过材料创新和工艺优化，实现了可见光驱动下的高效降解，为抗生素污染治理提供了新思路。

研究采用声化学合成法制备CGTM复合材料，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析（BET）和zeta电位测试等进行系统表征。利用中心复合设计（CCD）和响应面法（RSM）优化操作参数，并通过自由基捕获实验揭示反应机理。

表征结果显示：XRD证实成功合成Ti₃C₂ MXene（TM），其特征峰（002）出现在8.95°，且Ti₃AlC₂的铝层（104）峰消失，表明完全蚀刻。Cu₂O的典型晶面（110、111、200等）清晰可见，同时检测到金属铜的存在，形成Cu/Cu₂O异质结。FTIR谱显示TM、CG和CGTM的特征官能团（-OH、C=O、C-F、Ti-O等），证明成功复合。SEM显示TM呈典型二维片层结构，CG中Cu₂O和Cu颗粒被rGO包裹，CGTM呈现片状 morphology，元素 mapping 显示Cu、C、Ti、O、F均匀分布。BET表明CGTM比表面积达11.2 m²/g，高于单独组分，呈现IV型等温线和H4滞后环，表明介孔结构。zeta电位证实材料表面带负电，利于与带正电的TC分子结合。TGA显示材料具有良好的热稳定性。

通过RSM-CCD优化，建立二阶多项式模型，ANOVA分析显示模型高度显著（p<0.0001，R²=0.9902）。最优条件为：催化剂剂量0.47 g/L、TC初始浓度48 ppm、pH 5.15、光照时间50 min，预测降解率95.27%，实验验证达95.36%。经济性优化表明，在较高浓度（60 ppm）和低催化剂用量（0.22 g/L）下，31 min内仍可实现84.33%的去除率。

机理研究表明：Cu₂O（带隙约2.1 eV）在可见光下激发产生电子-空穴对，电子转移至rGO、Cu和MXene，有效抑制复合。MXene（带隙0.92–1.75 eV）的引入进一步窄化带隙，促进可见光吸收，其与Cu₂O界面形成肖特基势垒，加速电荷分离。空穴（h⁺）直接氧化TC或与H₂O反应生成·OH，电子与O₂反应生成·O_{2-，进而转化为·OH。捕获实验证实·OH和h⁺是主要活性物种，其贡献程度为：h⁺ > ·OH > e^- > ·O2-。动力学拟合符合一级反应模型，速率常数最高达0.3553 min^-1。}

稳定性测试表明，经过5次循环，乙醇洗涤的样品效率保持在84.27%，优于去离子水洗涤（80.65%）。性能下降归因于催化剂损失、活性位点阻塞和副产物吸附。距离实验显示，随光源距离增加（23→38 cm），光强减弱，降解效率从95.36%降至91.37%。

研究结论表明，CGTM复合材料通过Cu₂O、rGO和MXene的协同作用，实现了高效的可见光催化降解四环素。优化的复合比例（7.5 wt% MXene）和反应条件确保了高活性和稳定性。该材料不仅降解效率高，且适应性强，在较宽浓度范围和接近中性pH下均表现良好，具备实际应用潜力。研究为抗生素污染治理提供了新材料和新策略，对推动光催化技术在实际废水处理中的应用具有重要意义。未来研究可聚焦于实际废水基质效应、大规模试验和 sunlight 驱动催化，进一步推动该技术的实用化进程。