氮/硫共掺杂碳与氧空位对牡丹花状BiOBr协同增效降解污染物的研究

《Environmental Research》：Synergistic effects of N/S co-doped carbon and oxygen vacancies on peony-like BiOBr toward enhanced photocatalytic degradation of pollutants

　　

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  制备了具有氧空位（OVs）的N/S共掺杂碳包覆BiOBr（NSCB）异质结。
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  NSCB固定化于PVDF膜中，在动态水体中对CIP表现出优异的光催化性能。
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  S型异质结中N/S共掺杂与氧空位的协同效应促进了光生载流子的分离。
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  CIP降解的主要活性物种为•O^2-和h⁺。
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  阐明了详细的光催化机制和降解途径。

引言

抗生素的广泛使用导致未能代谢的残留物在环境中持续累积，促进了抗生素耐药性的产生，对生态环境和人类健康构成严重威胁（Cui等，2026；Deng等，2026）。尽管全球各国政府已对抗生素使用强度实施了严格监管，但全球畜牧用抗生素消费量预计将持续上升直至2040年（Acosta等，2025）。为解决抗生素滥用问题，半导体光催化技术因其低碳、环保且高效的特点，成为应对新兴污染物的前景技术（Bacha等，2026；Wen等，2024）。然而，单一的传统光催化剂难以高效、完全地降解有机污染物。为提升光催化降解性能，研究者开发了一系列改性策略，包括形貌调控、缺陷工程、元素掺杂及异质结构建（Bao等，2024；Chen等，2024；Wang等，2025）。这些策略的实际效果体现在调变能带结构、增强可见光吸收能力、促进光生载流子的传输与分离以及增加活性位点密度等方面（Chen等，2025；Yin等，2026）。

作为一种典型的半导体材料，BiOBr具有独特的层状结构，由[Bi₂O₂]单元与双层溴原子交替排列组成，已广泛应用于光催化领域（Luo等，2022；Shi等，2020；Wen等，2024）。BiOBr因其宽带隙和有限的可见光吸收而光催化活性受限。BiOBr中较弱的Bi?O键和层间范德华相互作用有利于空位缺陷的形成（Yang等，2023；Zhong等，2025）。氧空位缺陷因其具有缩小带隙、拓宽光吸收范围以及提供更多活性位点等优势而备受关注（Liu等，2020；Wang等，2018）。然而，具有氧空位的BiOBr纳米花仅表现出中等的光催化降解性能（Long等，2025；Ni等，2025）。因此，研究者致力于探索各种策略与缺陷工程的结合，以进一步提升BiOBr的光催化效率。AgBr/BiOBr中氧空位与S型异质结的协同效应促进了激子解离和载流子转移，从而实现了对磺胺类抗生素的高效降解（Wen等，2022）。一种将空位工程与光致变色效应相结合的新策略，在Cl、I共掺杂BiOBr/BaTiO₃ Z型异质结中实现了光催化CO₂还原性能的改善，该异质结表现出优异的光吸收能力和高效的载流子转移（Zhang等，2025）。Bi/BiOBr/Bi₂MoO₆凭借其S型异质结构、显著的Bi表面等离子体共振效应以及丰富的氧空位工程的协同作用，展现出优异的光催化CO₂转化活性（Ma等，2025）。

近年来，非金属半导体光催化的研究日益受到关注。其中，源自生物质的水热碳化碳（HTCC）具有无金属聚合物半导体特性，这归因于其sp²杂化聚呋喃结构（Xu等，2021；Zhou等，2025）。HTCC带隙较窄，导致光生载流子更容易复合，从而限制了其光催化潜力。元素掺杂（如I-HTCC、Cl-HTCC和P-HTCC）可以调变能带结构，显著提升光催化性能（Hu等，2017；Lu等，2024；Zhang等，2019）。通过将HTCC与其他半导体（如O-g-C₃N₄（Zhang等，2019）、In₂S₃（Tang等，2024）、ZnIn₂S₄（Wei等，2026）、MIL-88A(Fe)（Yuan等，2026）、MIL-100(Fe)（Du等，2026）和FePMo（Shen等，2026））耦合构建异质结，是增强可见光吸收、促进光生载流子分离从而提升光催化性能的有效策略。然而，在光催化剂设计中将缺陷工程、元素掺杂和异质结工程进行协同整合的研究鲜有报道。

本文通过元素共掺杂与空位工程的协同组合，构建了一种新型的S型异质结构，以提升光催化降解效率。该协同策略通过合成将N/S共掺杂HTCC（NS-HC）与富含氧空位的BiOBr纳米花相结合的30-NSCB-OV异质结来实现。为克服粉末光催化剂在水处理中可回收性受限的问题，我们将30-NSCB-OV粉末固定化于PVDF膜上，并设计了连续流反应器用于抗生素污染物的降解。

章节摘要

实验部分

试剂、表征、光催化实验及密度泛函理论（DFT）计算的详细信息见支撑材料。

光催化剂的表征与分析

利用扫描电子显微镜（SEM）对所制备的光催化剂样品进行了微观结构表征。在含硫脲的水热条件下，不规则的HTCC微米粉粒转变为表面更为粗糙且尺寸更小的N/S共掺杂HTCC（图1a）。NS-HC尺寸均一且具有褶皱多孔结构，这是由于硫脲在高温下分解产生气体所致。未经氧空位修饰的原始BiOBr样品呈现出绒球状的致密球形结构，且

结论

总之，成功合成了一种具有S型异质结的30-NSCB-OV固定化PVDF膜，用于高效光降解新兴污染物。30-NSCB-OV的降解效率和矿化能力优于原始BiOBr，这归因于N/S共掺杂生物质衍生碳与氧空位在牡丹花状BiOBr上的协同效应，有效促进了光生载流子的分离，从而增强了光催化

CRediT作者贡献声明

胡寒娇：撰写——原稿撰写、软件、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。鲍木太：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、项目管理、基金获取。李明怡：验证、调查研究。陆金仁：监督、形式分析。殷燕珍：资源获取、形式分析。杨小龙：可视化、监督。卢凤杰：可视化、验证。庞丽平：软件、方法论。吴臻：软件、方法论，

未引用参考文献

Chen等，2025；Liu等，2026；Zhang等，2025；Zhang等，2019。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家科技重大专项（项目编号：2024ZD1004300）和山东省自然科学基金（ZR2023ME094）的经费支持。

胡寒娇|吴臻|邓琴|卢凤杰|庞丽平|殷燕珍|杨小龙|李明怡|陆金仁|鲍木太