功能化BiSI基催化剂的设计及其在声光催化降解新兴污染物中的应用：表面掺杂、缺陷工程与异质结构建

本研究针对废水中新兴污染物(CECs)的去除难题，通过银离子表面掺杂、硫空位缺陷工程、氮化碳(C3N4)和氧化石墨烯(GO)异质结构建四种策略对BiSI催化剂进行改性，显著提升了卡马西平(CBZ)的声光催化降解效率。研究发现GO@BiSI复合材料在声光催化协同作用下降解率高达90.4%，且缺陷工程与异质结材料表现出1.70和1.56的协同指数，为高效水处理催化剂设计提供了重要理论与实践依据。

　　

随着工业化进程的加速， pharmaceuticals（药物）等新兴污染物(Contaminants of Emerging Concern, CECs)在水体中的检测频率日益增高，这些化合物通过常规水处理工艺难以有效去除，且具有生物积累性和生态毒性，对 human health（人类健康）和 aquatic ecosystems（水生生态系统）构成严重威胁。其中，抗癫痫药物卡马西平(Carbamazepine, CBZ)因其化学稳定性和持久性，成为水环境中最难降解的CECs之一。

面对这一挑战，advanced oxidation processes（高级氧化工艺, AOPs）展现出巨大潜力，其通过生成reactive oxygen species（活性氧物种, ROS）实现污染物的高效降解。在众多AOPs技术中，sonocatalysis（声催化）和photocatalysis（光催化）各具特色：声催化利用超声波空化效应产生局部高温高压条件分解水分子生成ROS，适用于浊度较高的水体；光催化则依靠半导体材料在光照下产生电子-空穴对(e^-/h⁺)驱动氧化还原反应。将两种技术结合的sonophotocatalysis（声光催化）更能发挥协同效应，通过增强传质效率、提高ROS产量和拓宽操作条件，显著提升降解效率。

然而，高效催化剂的开发仍是技术突破的关键。Bismuth sulfur iodide（BiSI）作为一种新型声催化剂，虽具有良好的声催化活性和化学稳定性，但其窄带隙导致电荷复合率高，光催化性能较差。为此，研究人员通过材料改性策略——包括surface doping（表面掺杂）、defect engineering（缺陷工程）和heterojunction formation（异质结构建）——来调控其电子结构、增强光吸收并促进电荷分离。

本研究系统探讨了四种BiSI改性策略：(1)银离子表面掺杂增强可见光吸收；(2)硫空位缺陷工程改善载流子分离；(3)与氮化碳(C₃N₄)构建异质结提升光催化活性；(4)与氧化石墨烯(GO)复合增加比表面积和吸附能力。通过多种表征手段和降解实验，评估了改性材料对CBZ的去除效能，并深入分析了降解机制与路径。

主要技术方法包括：采用水热法和光还原法制备改性催化剂；通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)进行物化表征；利用紫外-可见光谱(UV-Vis)和电化学测试分析光学与电荷传输性能；通过荧光探针法量化羟基自由基(^•OH)和单线态氧(¹O₂)生成；使用液相色谱-质谱联用(LC-MS)鉴定降解中间产物。

3.1. 催化剂表征

形态学分析显示BiSI呈棒状结构(平均长度465 nm)，银掺杂后表面附着纳米颗粒，氧掺杂材料呈现更粗糙的层状结构。异质结材料中C₃N₄@BiSI因高温处理失去棒状形貌，而GO@BiSI完好保留原始结构。XRD证实所有材料均保持BiSI正交晶系结构，改性后出现特征峰位移和强度变化。XPS分析揭示了元素化学态变化，结合能位移表明改性有效调控了电子环境。光学性能测试表明所有催化剂在可见光和近红外区均有强吸收，带隙约为1.5 eV。BET测试显示异质结材料比表面积显著增加(C₃N₄@BiSI和GO@BiSI分别达19.77和19.67 m²/g)。

3.2. 催化剂功能评价

控制实验证实CBZ自身稳定性高(降解率<4%)，吸附实验表明GO@BiSI具有优异吸附性能(45.9%)。活性氧检测显示所有改性材料均提升ROS产量，其中声光催化协同效应显著，^•OH产量高于单独工艺之和。降解实验中：

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  声催化：GO@BiSI(40 wt%)效率达82.2%，银掺杂次之(73.3%)
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  光催化：C₃N₄@BiSI表现最佳(57.3%)，较纯BiSI提升8.3倍
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  声光催化：所有材料均展现协同效应，GO@BiSI达90.4%去除率
  协同指数定量分析表明O-BiSI和C₃N₄@BiSI分别达1.70和1.56，证实杂交方法的优势。

3.3. 电荷传输动力学与性能增强机制

荧光光谱(PL)显示改性后材料发射峰淬灭，表明电荷复合被抑制。光电测试表明改性催化剂光电流密度显著提升(最高达414 μA/cm²，为纯BiSI的5.2倍)。电化学阻抗(EIS)显示电荷传输阻力降低。莫特-肖特基分析证实所有材料均为n型半导体，能带位置适合多种ROS生成。机制研究表明：银掺杂产生局域态增强电子转移；硫空位缺陷调控能带结构促进电荷分离；C₃N₄异质结通过能级交错排列实现电子定向传输；GO作为导电平台延长载流子寿命。

3.4. 降解机制见解

稳定性测试表明材料在反应后保持晶体结构和形貌完整性，循环实验证实改性催化剂具有良好可重用性。LC-MS分析鉴定出13种降解中间体，发现三种主要路径：

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  DP1(光催化主导)：烯键羟基化生成P1-P4系列产物
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  DP2(声催化主导)：环氧环形成生成P5-P7系列产物
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  DP3(声光催化特有)：氧化 cascade 反应生成低毒性P8-P10产物
  毒性评估表明DP3路径产物危害性显著低于其他路径，证实声光催化在降低环境风险方面的优势。

该研究通过多维度改性策略成功提升了BiSI基催化剂的声光催化性能，最大降解率达90.4%。研究不仅证实了声光催化的协同效应(协同指数最高达1.70)，还揭示了降解路径与催化剂类型、反应方法的关联性。特别重要的是，研究发现声光催化能够导向低毒性降解路径，这对实际水处理应用具有重大意义。

四种改性方法各具特色：银掺杂显著增强声催化性能；缺陷工程通过硫空位优化电荷分离；C₃N₄异质结大幅提升光催化活性；GO复合则充分发挥吸附-催化协同作用。电化学机制研究表明，所有改性均通过不同方式改善了电荷分离效率，延长了载流子寿命，从而提升ROS产量和降解效能。

从应用视角看，这项研究为设计高效水处理催化剂提供了"功能导向"的设计策略，通过精确控制材料结构特性可实现催化性能的定向优化。此外，研究对降解路径的深入解析为控制副产物毒性、实现环境友好型水处理提供了重要理论依据。

该成果发表于《Environmental Technology》期刊，对推动新型水处理技术发展、解决新兴污染物环境问题具有重要价值，为开发高效、可持续的水净化技术奠定了坚实基础。未来研究可进一步探索催化剂在实际水体矩阵中的性能，以及大规模应用的可行性，推动该技术向实际工程应用转化。