【人物与科研】浙师大代伟教授课题组：一种兼具抗生素识别和催化降解双功能的ZIF-8镶嵌CuBi2O4核壳结构材料
导语
近日ACS Applied Materials & Interfaces在线报道了浙江师范大学代伟教授团队在抗生素污染物的高灵敏检测和高效降解领域的最新研究成果。工作创新性地以p型半导体铋酸铜（CuBi2O4, CBO）为核，沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8）为壳，设计出一种ZIF-8镶嵌在CBO球形表面的CBO@ZIF-8核壳材料，实现了对目标物的预富集，在可见光下对抗生素四环素展现出高灵敏检测和高效降解双效功能，并且具有优良的稳定性。论文第一作者为：高原，论文通讯作者为：代伟教授。
代伟教授简介
代伟，浙江师范大学教授。主要研究方向为：以环境、能源、食品和医药等为导向的新型吸附及催化材料的开发及应用。先后主持或参与国家自然基金、钱江人才计划、省自然科学基金、省科技厅、企业横向项目多项，发表学术论文60余篇。个人主页：http://sky.zjnu.edu.cn/2014/0127/c4853a85544/page.htm
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课题组合影
前沿科研成果
一种兼具抗生素识别和催化降解双功能的ZIF-8镶嵌CuBi2O4的核壳结构材料
抗生素的抑菌或杀菌功效被广泛应用于临床医学领域，然而水中痕量抗生素在生命体内蓄积产生的耐药性使其成为一种新型水体污染物。如何同时实现水中痕量抗生素的灵敏检测和有效去除存在巨大的技术挑战。近年来半导体材料光催化降解水体有机污染物成为一种非常具有前景的技术手段。以空穴为多数载流子的p型半导体具有良好的化学稳定性，在催化领域受到广泛关注，如铋酸铜以其优良的可见光响应和合适的能带位置等优点，从众多高活性光催化材料中脱颖而出。然而目前p型半导体的种类相对较少，对其研究仍处于初步阶段，而且这些单一的半导体催化剂的性能往往受限于其有限的光生电子-空穴对分离效率和寿命。因此，如何设计、优化高性能的p型半导体多功能材料是一个非常有潜力的研究方向。
金属有机框架材料（MOFs）是一种由金属结点和有机配体配位而成的高度有序多孔晶体材料。由于MOFs的结构可调性和合成灵活性，通过煅烧、嫁接、表面刻蚀等手段可以将MOFs转变成具备多级孔、单壳层中空、多壳层中空等复杂结构的功能性材料。为设计高效的p型多功能半导体催化剂提供了一种新思路。ZIF 是一种新型的多孔MOFs材料，具有高稳定性、高孔隙率和有机官能团可修饰性等特点。ZIF衍生材料在最近取得迅猛发展，应用在高效催化和分离过程中，但是ZIFs原本所具备封装和识别客体分子的这一优点常常被忽略。因此，通过MOFs与半导体复合可有望将抗生素吸附富集到材料表面以实现灵敏检测和高效催化降解的双效功能。
本文采用层层自组装设计法合成一种新型的基于p型半导体 （CuBi2O4, CBO）和ZIF-8的CBO@ZIF-8多功能核壳材料（图1），并将其应用于对抗生素污染物的高灵敏检测和高效降解。ZIF-8壳可吸附富集四环素抗生素（TC）到催化剂材料表面，通过荧光信号的改变实现对其灵敏检测，同时提高材料对TC的光催化降解效率。该工作将为提升半导体的光催化性能及多功能核壳材料的设计开发提供普适性。
图2显示ZIF-8包裹在CBO表面形成核壳结构，从EDX元素分布图可以进一步看出ZIF-8均匀分布在CBO外表面。
图2. CBO (a-c) 和CBO@ZIF-8 (d-f) 的SEM图及CBO@ZIF-8的EDX元素分布图 (g)
（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）
在验证CBO@ZIF-8的成功合成之后，作者对其荧光检测性能进行了研究 （图3）。以380 nm为激发波长，单纯的CBO@ZIF-8和TC溶液几乎没有荧光，而将TC加入CBO@ZIF-8溶液后，出现明显的荧光增强，说明CBO@ZIF-8对TC具有荧光响应。随着加入的TC浓度增加，517 nm处的荧光强度随之逐渐增强，且在0 - 45 μM区间内呈现良好的线性关系，其检测限为26 nM。该材料对TC有快速的荧光响应，响应时间为120 s。
图3. CBO@ZIF-8对TC的荧光响应及荧光滴定(a-c)和响应时间 (d)
（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）
作者进一步评估了CBO@ZIF-8的光催化性能，结果如图4所示。TC在可见光照射下仍具有非常好的稳定性，不易被光解。ZIF-8能够大量富集溶液中游离的TC，但是在可见光照射下无法进一步将其降解；而CBO虽然能在可见光下降解TC，但效率较低；相比而言，CBO@ZIF-8兼具了ZIF-8和CBO的优点，对TC有良好的预富集作用，有利于TC的灵敏检测，而且具有高效的催化降解效率，在30 min内降解效率比CBO提高了33.4 %。此外，循环利用实验表明该材料在5个循环内仍保持良好的催化性能，说明该材料具有优良的稳定性。
全文小结：本文报道了一种基于p型半导体和MOFs复合的多功能核壳材料。该复合材料具有水中痕量四环素抗生素高度识别的功能，同时有效提高了对四环素的降解动力学常数，且具有优良的稳定性。该工作为提升半导体的光催化性能及多功能核壳材料的设计开发提供了一种普适性思路。
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