构筑Z型MnO_(2)/BiOBr异质结用于光催化环丙沙星去除和CO_(2)还原

日益严峻的能源短缺以及生态环境污染问题已成为引发全球持续关注的焦点问题,这严重影响了人类自身健康和社会可持续发展。多种技术被开发出来用于实现新能源开发和污染物控制,其中,光催化因其具有低耗能、无二次污染、操作流程简单、温和的反应条件等优点成为环境治理与能源催化领域的研究重点。不过值得注意的是,光催化技术尽管在抗生素的高效去除和CO_(2)还原领域的应用方兴未艾,但其工业化应用和大规模推广始终受限于光催化剂的光吸收效率、氧化还原能力和光生电子分离或迁移效率等诸多因素。基于当前光催化剂的组成/结构调控及其催化性能研究,探索高效实用的改性策略构筑性能更加优化的复合结构光催化剂,使光催化剂发挥出更高的光吸收/利用以及光催化表/界面反应性能是亟待解决的关键问题。在常见的改性策略中,Z型异质结构构筑不仅明显可以提高光吸收能力和显著降低光生电子空穴复合率,更重要的是,还可以保持光生电子/空穴的强还原/氧化能力来实现环境污染物去除和清洁能源转化。在本文中,采用机械辅助球磨法构建了MnO_(2)/BiOBr (MO/BiOBr) Z型异质结复合材料。在黑暗和光照条件下进行的原位X射线光电子能谱(XPS)测试可以证实MnO_(2)中的光生电子可以通过Mn3+/Mn4+氧化还原电对实现向BiOBr的定向迁移,以构建Z型载流子转移路径。通过电子自旋共振谱(ESR)和能带结构分析也可以推导出类似的结论。基于MnO_(2)中存在的Mn^(3+)/Mn^(4+)氧化还原电对以及MnO_(2)与BiOBr材料交错的能带位置,MnO_(2)和BiOBr材料可以构筑Z型异质结以实现氧化中心和还原中心的空间分离。此外,通过紫外可见光吸收光谱(UV-Vis DRS)和稳态荧光光谱(PL)分析相比较于BiOBr,MO/BiOBr复合材料具有增强的光吸收和显著降低的光生电子-空穴复合率。因此,MO/BiOBr复合材料表现出优异的光催化环丙沙星(CIP)氧化和CO释放性能。MO/BiOBr复合材料的CIP去除率在60min时可达77.3%,是BiOBr(60.2%)的1.28倍。同时,MO/BiOBr复合材料(20.02μmol·g^(-1)·h^(-1))的光催化CO生成性能是BiOBr (9.08μmol·g^(-1)·h^(-1))的2.2倍。光电流和电化学阻抗分析表明,相比于MnO_(2)和BiOBr单体,构筑的MnO_(2)/BiOBr Z型异质结具有更高的界面电子转移效率。此外,选用液相质谱联用光谱(LC-MS)和原位傅里叶变换红外光谱(in situ FTIR)对光催化CIP去除和CO_(2)还原过程的中间体生成路径进行分析。并通过毒性评估软件(T.E.S.T.)计算CIP和在MO/BiOBr复合材料光催化降解CIP过程中产生的中间体对应的大型溞的48 h半数致死浓度、黑头软口鲦的96 h半数致死量、致突变性和生物累积因子来评估CIP和相应中间体的实际生理毒性。因此,本研究提供了一种简便方法来构筑Z型异质结以实现太阳能驱动的高效抗生素去除和燃料合成。