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文 章 信 息
内电场与氧空位协同作用的Bi2MoO6-SOVs/ZnCdS S型异质结的构建，用于光催化降解左氧氟沙星
第一作者：姚生
通讯作者：孟凡明*
单位：安徽大学
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研 究 背 景
抗生素类药物的过度使用导致了其残留物在环境中的积累，对生态系统和人类健康都造成了一定的伤害。半导体光催化技术因其成本较低和绿色环保的优点在处理环境和能源问题上具有较好的应用前景。因此，开发一种新的半导体光催化剂用于清除抗生素污染物无疑具有深远的意义。本文首次将富氧空位的Bi2MoO6微球和ZnCdS纳米颗粒结合，成功构建出了内部电场介导的S型异质结。结合实验和理论计算，探索了左氧氟沙星可能的降解途径以及光催化机理。
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文 章 简 介
近日，来自安徽大学的孟凡明教授，在国际知名期刊Separation and Purification Technology上发表题为“Construction of Bi2MoO6–SOVs/ZnCdS S–scheme heterojunction with the synergistic effect of internal electric field and oxygen vacancies for photocatalytic degradation of levofloxacin”的观点文章。在该文章中，研究者通过分步合成的方法成功设计了含有内部电场与表面缺陷的Bi2MoO6-SOVs/ZnCdS异质结构微球。在模拟阳光下，该催化剂在30分钟内对左氧氟沙星的降解率高达95.9%。同时，循环实验和复杂条件下的降解实验证明了该光催化剂具有可靠的稳定性。基于LC-MS、3D EEM、自由基清除实验和化学探针法提出了左氧氟沙星可能的降解途径以及反应过程中的主要活性物质（∙OH和·O2-）。通过理论计算和一系列的光电化学测试，提出了Bi2MoO6-SOVs/ZnCdS-10的S型电荷转移路径和光催化机理。
图1. 图形摘要
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本 文 要 点
要点一：在模拟阳光下，该催化剂表现出优异的光催化活性。
使用300W氙灯光源来模拟可见光降解污染物左氧氟沙星。由图2a可知，原始的BM、BMO、ZCS样品对LVX的降解十分有限，而BMO/ZCS复合材料均表现出比纯样品更高的降解性能。在所有样品中，BMO/ZCS-10表现出最优异的光催化活性，其对左氧氟沙星的去除率在30分钟内达到了95.9%。我们使用拟二阶反应动力学模型对污染物的降解曲线进行了处理。如图2b所示，在所有样品的动力学模型图中，BMO/ZCS-10的斜率最大，这意味着BMO/ZCS-10的速率常数最大，光催化效率最高。
图2. (a) 在不同催化体系中左氧氟沙星的降解曲线；(b) 相应的动力学曲线
要点二：该催化剂作用下的降解过程对环境非常友好。
抗生素污染物降解过程中产生的中间体有可能危害环境。因此，我们利用毒性评估软件（Toxicity Estimation Software Tool），从半致死浓度（LC50）、致突变性值、发育值、生物蓄积因子四个方面对左氧氟沙星及其产生的中间体进行了毒性预测。通过对图2的分析可知：总体而言，BMO/ZCS-10催化剂不仅有效降解了左氧氟沙星，而且显著降低了其在环境中的毒性。
图3. (a) LC50值，(b)致突变性值，(c)发育值，(d) LVX及其中间体的生物蓄积因子
要点三：S型电荷转移途径下的光催化机理
如下图所示，在模拟阳光的照射下，BMO和ZCS中大量的电子从价带（VB）转移到导带（CB）中。在这一过程中，CB得到了大量的光生电子，而VB处则留下了许多的光生空穴。同时，BMO中氧空位的存在也可以捕获光生电子，从而加速了光生电子与空穴的分离。在能带弯曲与内部电场的共同作用下，这两种半导体材料中氧化还原性质相对较弱的电子(来自于BMO的CB)和空穴(来自于ZCS的VB)由于结合在一起而被消耗掉了。因此，强还原性电子(来自于ZCS的CB)和强氧化性空穴(来自于BMO的VB)则得到了有效保留。得益于这种独特的电荷输运方式，BMO/ZCS-10才具有了强大的氧化还原能力，使其在LVX的光降解反应中展现出了出色的光催化性能。在去除左氧氟沙星的过程中，BMO的VB上的强氧化性空穴可以与H2O或者OH-结合生成∙OH。ZCS的CB上的强还原性电子可以与O2结合生成·O2-。最终，在∙OH和·O2-的作用下，左氧氟沙星被分解为CO2、H2O和一些小分子。
图4. 光催化机理示意图
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文 章 结 论
本研究通过分步合成的方法成功设计了含有内部电场和表面缺陷的BMO/ZCS-10异质结构微球。一系列表征实验证明了BMO/ZCS-10光催化剂的有效合成和氧空位的存在。在模拟光照条件下，BMO/ZCS-10在30分钟内对左氧氟沙星的降解率达到95.9%。BMO/ZCS-10光催化剂的结构表征和光电化学测试表明，BMO/ZCS-10优异的光催化活性源于其光吸收能力的提高、界面电阻的降低、缺陷工程的引入以及S型异质结的形成。通过LC-MS、3D EEM、自由基清除实验和化学探针等方法，提出了LVX可能的降解途径以及参与反应的主要活性物质。结合理论计算和实验结果，提出了该催化剂的s型电荷转移途径和光催化机理。本研究为进一步开发含有表面缺陷和s型异质结的光催化剂提供了新的参考。
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文 章 链 接
Construction of Bi2MoO6–SOVs/ZnCdS S–scheme heterojunction with the synergistic effect of internal electric field and oxygen vacancies for photocatalytic degradation of levofloxacin
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130350
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通 讯 作 者 简 介
孟凡明教授简介：博士毕业于安徽大学，师从安徽大学材料科学与工程学院孙兆奇教授。2012年1月至2013年2月，在美国阿肯色大学从事科学研究工作。现为安徽大学材料科学与工程学院教授，长期从事半导体纳米材料/环境友好材料/新能源材料的研究和开发。以第一或通讯作者身份在Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Science & Technology，Separation and Purification Technology，Journal of Colloid and Interface Science等学术期刊上发表论文70余篇。
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第 一 作 者 简 介
姚生，安徽大学材料科学与工程学院2022级硕士研究生，研究方向为光催化降解污染物/污水处理。
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