《Journal of Water Process Engineering》：Engineering immobilized CQDs/C-doped g-C
3N
4 (0D/2D) piezo-photocatalyst films for degradation of pharmaceutical wastewater in an airlift reactor
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•开发CQDs/C掺杂g-C?N?作为压电光催化膜。•将CQDs/C掺杂g-C?N?压电光催化膜应用于气升式反应器系统中。•与悬浮形式相比，压电光催化膜在60分钟后实现了98.2%的恩诺沙星降解。•快速电荷转移是其性能提升的原因。引言如今，大多数药物污染来自抗生素排入水源[1
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开发CQDs/C掺杂g-C?N?作为压电光催化膜。
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将CQDs/C掺杂g-C?N?压电光催化膜应用于气升式反应器系统中。
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与悬浮形式相比，压电光催化膜在60分钟后实现了98.2%的恩诺沙星降解。
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快速电荷转移是其性能提升的原因。
引言
如今，大多数药物污染来自抗生素排入水源[1]，由此因细菌对这些抗生素的抗药性日益增长，导致人类和动物的健康问题不断增多[2]。恩诺沙星（ENR）是一种广谱氟喹诺酮类药物，常用于兽医治疗[3]。由于其生物降解性低，ENR可能在水系统中造成广泛污染。因此，探索有效处理抗生素污染物的策略已成为一个基本问题[4]。传统的去除方法经常无法完全分解抗生素污染物[5]。因此，光催化处理作为一种有效降解方法的高级技术，利用半导体和太阳能来发挥作用[6]。在光催化处理过程中，半导体产生高活性氧物种（ROS），将ENR降解为无毒物质，如二氧化碳和水[7]。
尽管先前的研究介绍了几种金属氧化物作为半导体，但二次金属污染问题以及电子和空穴的快速复合仍然限制了它们的广泛应用[8]、[9]。作为一种有能力的有机（无金属）半导体，类石墨碳氮化物（g-C?N?）近期引起了越来越多的关注[10]、[11]。相对合适且可调的带隙（约2.7 eV）[12]、[13]，合适的导带和价带，低制造成本以及高稳定性，使g-C?N?成为几种光催化过程中合适的光响应光催化剂候选材料[14]。然而，其表面积不足、电导率低、表面活性位点有限以及电子-空穴对的快速复合限制了其广泛应用[15]、[16]。用不同的金属和非金属元素进行杂原子掺杂是提高纯g-C?N?光催化性能的有效方法之一[17]、[18]。然而，这存在一些缺点，如制造成本和能耗增加、整体稳定性降低以及结构污染[19]、[20]。因此，碳自掺杂（不使用外来元素）可提高量子效率[21]。此外，碳掺杂可能涉及p型掺杂（即缺电子区域），从而降低电子-空穴对的复合速率并增强整体光催化性能[22]。
另一方面，半导体之间的光催化异质结通过增强界面处的电荷分离而产生进一步的好处，从而提高整体光催化性能。碳量子点（CQDs）作为一类新兴的碳基材料，凭借其众多特性获得了广泛关注，包括高光致发光、简单的制造工艺、电子存储特性、低成本原材料以及高化学和物理稳定性[23]。这些特点使CQDs具有高度适应性，可将CQDs与C掺杂g-C?N?杂化以产生无金属有机异质结[24]。因此，将CQDs负载到薄C掺杂g-C?N?的表面，产生（0D/2D）纳米结构，可用于加速光电子传输并扩展可见光吸收范围，从而产生显著的光催化活性。
大多数先前的工作集中在悬浮光催化系统上。然而，与固定光催化膜相比，固体光催化剂的分离成本高且效率低。此外，光对光催化膜表面的穿透不足以及有限的质量传递是其在传统光催化反应器中应用的主要缺点[25]。因此，使用一种光催化反应器以实现对光催化表面更大的质量传递和充分的光穿透是必要的[26]、[27]。因此，可以制造基于C掺杂g-C?N?光催化剂或CQDs的杂化光催化系统，并用作使用聚合物膜或基底的固定光催化膜。
气升式反应器常用于工业和环境应用，其中气-液-固三相接触至关重要。与传统反应器相比，气升系统具有液体内自混合、增强的质量传递以及操作简便等令人鼓舞的特性，使其在多种应用中可作为替代方案，包括压电和光催化过程。因此，本工作提出了一种新的压电光催化反应器构型，使用聚苯胺固定的CQDs/C掺杂g-C?N?作为压电光催化膜，安装在内部循环气升反应器内的单板上。所制造的压电光催化膜在可见光和超声结合的条件下进行了恩诺沙星降解测试。该系统中也处理了真实制药废水。研究了影响反应器性能的主要参数，如空气流速，并与浆料反应器系统进行了比较。基于多种现象阐明了协同压电光降解机制，包括合成的碳自掺杂g-C?N?扩展的可见光捕获能力、g-C?N?结构中的缺陷、诱导压电极化以及CQDs与C掺杂g-C?N?的结合增加了光生电子的传输，降低了电荷复合速率。CQDs/C掺杂g-C?N?系统的新颖性已包含在引言部分（修订稿第3–5页）。本工作的新颖性在于引入了一种综合方法，其中碳自掺杂用于诱导g-C?N?结构框架中的结构缺陷/局部对称畸变，以扩展其可见光捕获能力并增强其对机械应力的响应，而杂化CQDs则促进界面电荷分离。所获得的0D/2D CQDs/C掺杂g-C?N?异质结构被构建为内循环（分板）气升反应器中的固定压电光催化膜。该设计解决了悬浮系统中光催化剂分离和回收相关的实际限制问题。
章节摘要
CQDs/C掺杂g-C?N?复合材料的构建
所用化学品包括蔗糖（99.8%）、三聚氰胺、柠檬酸（99.5%）和尿素（99.9%），均购自Merck。氯仿、乙醇和聚苯胺用于制造光催化膜。
未掺杂的g-C?N?样品通过在550°C下以6°C/min的加热速率对特定量的三聚氰胺进行4小时多聚缩合制备，而C掺杂g-C?N?样品通过共多聚缩合构建如下：将4g三聚氰胺与10mg蔗糖混合于5mL蒸馏水中，在...
表征
进行X射线衍射（XRD）分析以调查所构建的纯g-C?N?、C掺杂g-C?N?和CQDs/C掺杂g-C?N?样品的晶体结构，如图3a所示。对于纯和C掺杂g-C?N?样品，在13.2°和27.4°处分别出现两个清晰的峰，分别对应于类石墨C?N?的三-s-三嗪结构（(100)晶面）和层间组装（(002)晶面）[35]。特别地，在C掺杂后，C掺杂g-C?N?的XRD...
结论
在此，成功制造了CQDs/C掺杂g-C?N?压电光催化膜，并应用于内循环分板气升式系统中，在可见光照射/超声条件下高效降解恩诺沙星（ENR）。与悬浮催化剂系统相比，气升式系统中的降解性能达到更高效率，60分钟后达到98.2%，而悬浮系统达到89.6%。C掺杂调节了g-C?N?的电子结构，引入...
CRediT作者贡献声明
Ruaa F. Shafi：撰写–初稿，方法论，调查。Saad H. Ammar：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，监督，概念化。Mohammed D. Salman：撰写–初稿，方法论，数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。
Ruaa F. Shafi | Saad H. Ammar | Mohammed D. Salman
