Z型异质结光催化剂由MoS?/Cu?S纳米片与铜泡沫基底结合而成，用于激活过硫酸盐以降解四环素

《Journal of Water Process Engineering》：Z-scheme heterojunction photocatalyst of MoS?/Cu?S nanosheets combined with copper foam substrate for activation of persulfate to degrade tetracycline

本研究开发MoS?/Cu?S@CF铜泡沫催化剂，有效激活过硫酸盐降解四环素，40分钟内效率达92.2%。系统考察pH、PMS等因素影响，催化剂循环五次活性稳定，证实超氧自由基和单线态氧为活性物种，异质结电子转移机制主导，并验证其在真实废水中的高效降解能力。

　　本研究开发了一种一步法水热策略，直接在铜泡沫（CF）上合成MoS?/Cu?S异质结构复合材料（MoS?/Cu?S@CF），以实现过氧化物单硫酸盐（PMS）的有效活化以及四环素（TC）的高效降解。在可见光照射下，MoS?/Cu?S@CF/Vis/PMS系统在初始TC浓度为50 mg/L的条件下，仅需40分钟即可达到92.2%的TC去除效率。该研究系统地考察了关键操作参数对TC去除效果的影响，包括pH值、PMS用量、催化剂负载量、共存阴离子以及不同水质基质。实验结果显示，该催化剂在五次连续循环后仍能保持较高的反应活性，没有显著的活性损失，证明了其结构的稳定性与可重复使用性。

通过淬灭实验、电子自旋共振（ESR）光谱和电化学分析，研究确定了超氧自由基（O?•?）和单线态氧（1O?）是主要的活性物质，并验证了界面电子转移机制的存在。此外，该系统在真实废水样本中仍能保持高效的TC降解性能，突显了其强抗干扰能力以及在实际应用中的潜力。本研究提出了一种高效、稳定且易于回收的光催化材料，为抗生素污染废水的处理提供了有前景的策略。

四环素类抗生素因其广谱抗菌活性和良好的成本效益，广泛应用于人类和动物疾病的治疗。研究表明，大多数摄入的四环素类抗生素以活性形式从体内排出，并最终进入自然水体。这类抗生素具有较强的环境持久性、低降解性以及低代谢转化率，因此在环境介质中的持续积累对生态环境和公众健康构成了严重威胁。因此，开发环保且经济高效的TC去除技术变得尤为重要。

传统的物理化学和生物方法在处理抗生素污染废水方面存在诸多局限，主要由于污染物浓度较低且毒性较高。因此，高级氧化工艺（AOPs）成为研究的重点，其利用活性氧物种（ROS）将抗生素降解为无害化合物。其中，基于过硫酸盐的芬顿类反应因其在温和条件下对难降解有机污染物的高效去除能力而备受关注。过硫酸盐的不对称分子结构和相对较长的单键O-O键长度，有助于其有效活化，生成多种高反应活性的自由基（如SO?•?、•OH、O?•?和1O?）。光催化技术作为高级氧化工艺的一种，因其绿色、温和的特性以及对污染物的深度矿化能力而展现出广阔的应用前景。

尽管高级氧化工艺具有良好的应用潜力，但催化剂的选择与回收仍是限制其大规模应用的关键因素。目前，大多数研究依赖于粉末催化剂，这使得回收过程复杂化，并增加了二次污染物生成的风险，从而限制了其实际应用。此外，纳米催化剂容易发生不希望的颗粒聚集，这会显著降低其催化活性。将催化剂负载于金属泡沫上，是一种被广泛认可的策略，用于克服上述问题。在金属泡沫上原位生长的催化剂能够提高导电性，增加暴露的活性位点密度，并减少催化剂的损失或聚集。同时，金属泡沫的集成结构也简化了回收过程。

铜泡沫（CF）作为一种新型的催化剂载体，因其稳定的三维多孔框架、高传质效率、热稳定性以及低成本而具有显著优势。这种结构的多功能性使得其能够用于催化、热管理和过滤等应用。因此，通过将功能性化合物沉积在铜泡沫支架上制备复合材料，已成为环境科学与工程领域的一个重要研究方向。该材料在氢气析出反应和过硫酸盐活化过程中均展现出广泛的应用潜力，有助于降解多种难降解有机污染物。

在催化氧化过渡金属离子的应用中，铜泡沫作为催化剂载体相较于传统粉末催化剂表现出更优异的综合性能。其中，硫化亚铜（Cu?S）和二硫化钼（MoS?）作为典型的过渡金属硫化物，因其丰富的表面活性位点、快速的电子转移速率以及广泛的来源而成为研究热点。作为一种典型的金属硫化物，MoS?具有优异的还原能力、光催化活性以及高效的电子转移能力。将铜（一种非贵金属）引入光催化系统，不仅能够提高导电性并增加活性位点的数量，还能通过与半导体形成异质结促进电荷转移。异质结在提升催化活性方面具有重要作用，因此考虑到MoS?和Cu?S在能带结构上的匹配性，可以推测在铜泡沫表面形成Z型异质结是可行的。这种策略能够克服单一材料在光催化过氧化物单硫酸盐降解污染物过程中所遇到的局限性。该材料具有双重功能：一方面能够有效活化PMS生成大量ROS，另一方面还能稳定地固定在铜泡沫载体上。这一方法为解决四环素抗生素污染问题提供了新的思路和技术路径，并有望实现高效、稳定且环保的抗生素废水处理目标。

本研究重点在于在铜泡沫上合成MoS?/Cu?S纳米片，并将其牢固地锚定在铜泡沫上，以增强催化活性和稳定性。合成的MoS?/Cu?S@CF复合材料随后被用作催化剂，通过过硫酸盐活化实现四环素的降解。研究假设该催化剂能够有效活化过硫酸盐，从而显著提高废水处理的效率。研究目标聚焦于优化催化剂应用的操作参数，以最大程度地去除TC。本研究系统地评估了基于过硫酸盐的催化氧化系统中影响TC降解效果的关键因素，包括初始pH值、无机阴离子种类、过硫酸盐浓度以及催化剂负载量。同时，研究明确了具体的降解机制和路径，并评估了催化剂的可重复使用性和稳定性，进一步探讨了其在实际水体中的应用潜力。研究结果表明，这是一种有效的去除TC的方法，并探索了使用铜泡沫基催化剂处理废水的可能应用。本研究旨在推动废水处理技术的发展，支持更加可持续的环境实践。