Cu/Fe共掺杂泥炭藓生物炭的协同吸附与光催化降解盐酸四环素研究

《Journal of Advanced Research》：Cu/Fe co-doped Sphagnum palustre-derived biochar for the synergistic adsorption and photocatalytic removal of tetracycline hydrochloride

本研究针对水体中抗生素污染问题，开发了一种可见光响应的Cu/Fe共掺杂泥炭藓生物炭复合材料（CFO/S），通过吸附-光催化协同机制实现了盐酸四环素（TCH）的高效去除。研究采用水热法构建FeO/CuFe2O4/S异质结结构，结合DFT+U模拟揭示了S型电荷转移机制。结果表明，CFO/S-10在60分钟内对TCH的去除率达94.56%，且具有良好的循环稳定性，为水体抗生素污染治理提供了新策略。

　　

随着抗生素在医疗、畜牧业的广泛使用，盐酸四环素（Tetracycline Hydrochloride, TCH）等污染物在水体中持续累积，引发环境与健康风险。这类污染物具有生物累积性、难降解性，并可能诱导抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）的传播，对生态系统和公共卫生构成威胁。传统的水处理技术对TCH的去除效率有限，因此开发高效、绿色的净化技术成为当务之急。可见光催化技术能在温和条件下将有机物矿化为无害物质，但其应用受限于光生电荷易复合、可见光响应窄等问题。

针对这些挑战，贵州师范大学的研究团队在《Journal of Advanced Research》上发表论文，设计了一种Cu/Fe共掺杂泥炭藓（Sphagnum palustre）生物炭复合材料（CFO/S），通过吸附-光催化协同作用高效去除TCH。该研究通过调控材料结构与界面电荷行为，显著提升了可见光下的降解性能。

研究采用水热合成法构建CFO/S复合材料，通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和同步辐射X射线吸收谱（XAS）对材料形貌、晶体结构和化学状态进行表征；利用荧光光谱（PL）、紫外-可见漫反射光谱（DRS）和电子顺磁共振（EPR）分析光生电荷行为；结合自由基捕获实验和密度泛函理论（DFT）+U计算阐明反应机制。

材料表征结果

SEM和TEM显示CFO/S-10具有分层多孔结构，Cu-Fe氧化物纳米颗粒均匀锚定在生物炭基质上，形成紧密异质结界面。HRTEM证实材料中存在CuFe₂O₄和FeO两相，晶面间距分别为2.29 ?（对应（222）晶面）和1.70 ?（对应（511）晶面）。XPS和XAS分析表明Cu、Fe以混合价态存在，生物炭的官能团有效稳定了金属物种，促进电荷分离。

光催化性能与机制

CFO/S-10在可见光下60分钟内对TCH的去除率达94.56%，吸附为主要去除途径，光催化起辅助降解作用。伪一级动力学常数k为0.021 min^?1。自由基捕获实验表明，光生电子（e^?）是主导活性物种，·OH、·O₂^?和空穴（h⁺）协同参与反应。EPR和DFT计算证实材料内部存在S型异质结机制，有效抑制电荷复合，增强氧化还原能力。降解产物分析显示TCH通过羟基化、去甲基化和开环反应逐步矿化。

结论与意义

本研究成功构建了具有吸附-光催化协同功能的CFO/S复合材料，通过S型电荷转移机制实现了对TCH的高效去除。该材料不仅为抗生素污染水体修复提供了新材料，还为生物炭基异质结设计提供了理论依据，推动可见光催化技术在环境治理中的应用。