关键词：光-芬顿技术（Photo-Fenton）；水体修复（Water remediation）；氧空位（Oxygen vacancies）；H2O2激活（H2O2activation）；抗生素失活（ARB inactivation）
研究背景
随着抗生素在人类和动物中的广泛使用，抗生素残留和抗性基因（ARB）对水环境造成了严重威胁。传统的水处理技术难以有效去除抗生素，因为它们具有抗生物降解和化学结构稳定的特点。因此，开发能够同时消除水体中的抗生素和ARB的高效技术对于保障生活环境安全至关重要。
光-芬顿技术作为一种高级氧化技术，在水净化方面显示出巨大潜力，但其反应动力学缓慢限制了其应用。研究表明，金属氧卤化物（MOX）基的芬顿反应系统可以通过氧桥激活H2O2和有机物，以极低的H2O2消耗去除污染物。
传统的均相芬顿反应存在铁泥产生、pH范围窄和回收问题。此外，Fe(III)/Fe(II)转化效率低和H2O2的低效激活导致大量H2O2浪费，限制了实际应用。
研究内容
本研究成功构建了氧空位介导的Bi2WO6/FeOOH异质结，用于抗生素废水的降解和ARB的失活。研究了氧空位对界面电荷载流子迁移和H2O2吸附-激活的协同效应，并通过实验和密度泛函理论（DFT）计算来证实。同时，使用液相色谱-质谱（LC-MS）和基于T.E.S.T.的QSAR方法鉴定了中间体并预测了光-芬顿过程中的毒性。
图文导读
图1. (a) 不同氧空位的Bi2WO6/FeOOH异质结合成示意图。(b) 样品的X射线衍射(XRD)图谱。(c) Vo-p-BWO和Vo-r-BWO的电子顺磁共振(EPR)谱图。(d) Vo-p-BWO、Vo-r-BWO和Vo-r-BWO/FeOOH的拉曼光谱。(e) Vo-r-BWO的扫描电子显微镜(SEM)图像。(f, g) Vo-r-BWO和Vo-r-BWO/FeOOH的透射电子显微镜(TEM)图像。(h) Vo-r-BWO/FeOOH的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。
图2. (a) 制备样品的紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)。(b) Vo-r-BWO的X射线光电子能谱价带(XPS-VB)谱图。(c, d) Vo-r-BWO和FeOOH的Mott-Schottky图。(e) 制备催化剂的氮气吸附和脱附等温线。(f) 制备样品的高分辨率X射线光电子能谱(XPS)谱图：Bi 4f。(g) Vo-r-BWO/FeOOH的Fe 2p。(h) O1s。(i) W 4f。
图3. (a) 所制备光催化剂对四环素(TCH)的光-芬顿降解。(b) 对四环素降解拟合到伪一阶动力学。(c) 不同环境下的降解速率。(d) 最新报道中降解TCH的比较。(e) 不同H2O2浓度下TCH的光-芬顿降解。(f) 不同pH值下。(g) 不同阴离子和 (h) 阳离子的影响（反应条件：TCH：50 mg/L；离子浓度 = 10 mM）。(i) Vo-r-BWO/FeOOH催化剂对TCH光-芬顿吸附-降解效率的重复实验。
图4. 在不同条件下的光-芬顿降解四环素(TCH)：(a) 不同温度下。(b) 不同浓度下。(c) Vo-r-BWO/FeOOH光-芬顿体系对几种典型抗生素的吸附-降解效率（四环素、恩诺沙星、诺氟沙星和头孢拉定的浓度为20 mg/L）。(d) 在不同类型水体中光-芬顿降解TCH的效果（温度、光强度、pH值和电极电位如表S5-S7所示）。(e) Vo-r-BWO/FeOOH体系的长期运行性能（TCH：20 mg/L）。(f) 连续流降解实验的示意图。
图5. (a) 菌落对应的统计计数。(b) 在不同时间间隔下，通过Vo-r-BWO/FeOOH的光-芬顿反应去除细菌的效率。(c) 在不同时间点，用Vo-r-BWO/FeOOH处理的活菌和死菌的荧光图像，这些图像展示了在光-芬顿反应过程中的E. coli。
图6. (a) 制备样品的瞬态光电流响应。(b) Vo-r-BWO/FeOOH上光-芬顿体系的活性物种捕获实验。(c) Vo-r-BWO/FeOOH在暗处和可见光下的DMPO自旋捕获电子顺磁共振(ESR)谱图。反应条件：[H2O2] = 9.9 mM，催化剂 = 0.3 g/L，T = 25 ℃。(d) Vo-p-BWO，(e) Vo-r-BWO，(f) FeOOH的模拟模型的静电势。(g) Vo-p-BWO/FeOOH和Vo-r-BWO/FeOOH沿z方向的面平均电荷密度差异以及相应的电子密度差异侧视图。（蓝色和黄色区域代表电子的积累和耗尽。）(h) Vo-p-BWO/FeOOH和Vo-r-BWO/FeOOH在Fe位点上的H2O2吸附能结果。
图7. (a) 提出的在Vo-r-BWO/FeOOH体系上光-芬顿降解TCH的途径。
结论与展望
综上所述，本项工作所制备的Vo-BWO/FeOOH异质结在光-芬顿降解抗生素方面表现出色，氧空位和FeOOH的协同作用促进了体积和界面电荷转移，提高了H2O2的利用效率，生成了丰富的活性氧物种（ROS）。在60分钟内，四环素（TCH）的去除率达到100%，并且在80分钟内对耐四环素、氨苄西林和卡那霉素的大肠杆菌的去除效率达到94.1%。此外，Vo-r-BWO/FeOOH异质结在实际水环境中展现出卓越的性能，为合理设计高性能催化剂和促进实际废水处理的应用提供了有效策略。
参考文献：Q. Wang, R. Zhao, H. Li, S. Sun, Y. Sun, W. Gu, N. Wang, X. Li, Oxygen vacancy-mediated Bi2WO6/FeOOH heterojunction for efficient photo-Fenton degradation antibiotics and synergistic sterilization. Separation and Puriϧcation Technology 359, 130546 (2025).
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130546
来源：微纳光学
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