盐酸四环素是养殖业和医疗中广泛使用的一类抗生素,其在环境水体中的残留会诱导细菌耐药性的产生和传播。Bi₂WO₆是一种具有可见光响应的典型钙钛矿结构光催化剂,但其光生电子-空穴对复合率高,限制了其实际应用。量子点作为一类尺寸小于10纳米的半导体纳米晶,因量子限域效应而表现出独特的电子特性。g-C₃N₄量子点不仅继承了g-C₃N₄的可见光活性,还具有比其体材料更高的比表面积和更短的电荷迁移距离。将其与Bi₂WO₆纳米片进行能带匹配,有望构建出高效的Z型异质结。
本研究通过简单的静电自组装法,将带负电的CNQDs均匀、紧密地锚定在带正电的Bi₂WO₆纳米片表面。在可见光照射下,该0D/2D CNQDs/Bi₂WO₆复合催化剂对盐酸四环素(20mg/L)的降解速率常数,是纯Bi₂WO₆的8.5倍,90分钟内可将大部分四环素完全矿化为CO₂和水。能带结构分析和自由基捕获实验证实,CNQDs和Bi₂WO₆之间形成了一个典型的Z型异质结。在光照下,Bi₂WO₆的光生电子通过界面转移至CNQDs的价带并与那里的空穴复合。这一路径使得具有更强还原能力的CNQDs导带电子和具有更强氧化能力的Bi₂WO₆价带空穴被选择性地保留下来,高效地还原氧气产生超氧自由基(·O₂⁻)和氧化水或OH⁻产生羟基自由基(·OH)。这两种最强的活性氧物种协同进攻四环素分子,导致了其高效降解。
质谱鉴定了四环素的降解中间产物,推演出其降解路径主要包括酚羟基的氧化、二甲胺基的脱甲基和C环的开环。在5次循环光催化实验中,CNQDs/Bi₂WO₆复合催化剂保持了很好的活性和结构稳定性,这得益于Z型异质结稳定的界面接触。该研究巧妙地将零维量子点与二维纳米片进行能级耦合,构建了Z型异质结,充分发挥了两种材料的协同优势,为开发高效、稳定的可见光催化材料用于水中抗生素的深度净化提供了创新策略。
标签: