构建Cd0.5Zn0.5S/Bi2WO6 S型异质结用于促进光催化抗生素氧化和Cr(VI)还原

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文章题目：Constructing Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S-scheme heterojunction for boosted photocatalytic antibiotic oxidation and Cr(VI) reduction

第一作者：李世杰

通信作者：李世杰、陈晓波

近日，浙江海洋大学李世杰副研究员和美国密苏里大学堪萨斯分校陈晓波教授在《Advanced Powder Materials》上刊登了题为“Constructing Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S-scheme heterojunction for boosted photocatalytic antibiotic oxidation and Cr(VI) reduction”的研究工作(DOI:https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100073)。本研究提出了构建新型Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S型异质结光催化材料用于降解抗生素和还原六价铬，系统研究了该材料的光催化反应动力学及反应机理。本工作得到了浙江省自然科学基金项目(LY20E080014)、国家自然科学基金项目(51708504)等的资助和支持。

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研究背景抗生素等有害药物和重金属离子的大量消耗和排放对环境和人类造成了极大的威胁。目前已有许多技术已被应用于处理污染废水，包括生物、膜过滤、吸附、高级氧化技术和光催化技术等。半导体光催化技术由于环保、高效、低成本和易于操作等特点被认为是一种绿色、可持续和高效的环境治理技术。硫系化合物由于窄带隙和负导带电位，在光催化应用中展现出巨大潜力。Cd_0.5Zn_0.5S是一种新兴的固溶体光催化剂，在可见光下光催化分解水和降解污染物等方面得到了相关研究。然而，Cd_0.5Zn_0.5S氧化能力差、纳米粒子容易团聚、化学稳定性差、光生载流子快速复合和严重光腐蚀等缺点严重阻碍了其应用。为了解决这些问题，我们成功构建Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S型异质结光催化材料用于高效降解抗生素和还原六价铬。该材料具有明显优势：一方面提升了光生电子和空穴分离效率，同时赋予了该材料的最佳的氧化还原能力；另一方面，0D/3D花球状异质结构确保了两种半导体之间的紧密连接、电荷的快速转移和丰富活性位点的暴露，S型异质结电荷传输模式有效地抑制了Cd_0.5Zn_0.5S的光腐蚀，在热力学上促进了光催化抗生素的氧化分解和Cr（VI）的还原，极大提升了材料的稳定性能和光催化活性。02
创新点

图1 Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S型异质结的制备

(1)设计并构筑了一种新型Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S型异质结，具有半导体界面紧密接触的0D/3D分层结构以及强大的界面电场实现电荷转移，大大提高了空穴和电子的分离能力，增强了氧化还原能力。

图2 Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S型异质结形貌表征(2)Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆在可见光驱动下，可高效光催化降解四环素（88.3%）和还原Cr（VI）（95.8%），该材料具有优异的光催化氧化还原能力、稳定性和环境普适性。通过对四环素中间产物鉴定和毒性分析，发现该材料可以有效降低抗生素溶液的生物毒性，证实了该材料对有新兴有机污染物和重金属污染处理具有重要的应用前景。

图3 Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆不同环境条件下对TC的降解效率

图4 Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆对 Cr（VI）还原效率研究

(3)对四环素的降解途径进行了分析，通过毒性评估软件T.E.S.T.分析表明，Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆对四环素中间产物的毒性有很大程度的减弱。

图5 Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆光催化降解抗生素和还原Cr（VI）机理03
结论

研究中采用了一种简单的方法精准合成了一系列Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S型异质结光催化材料。研究结果表明，与Cd_0.5Zn_0.5S和Bi₂WO₆相比，新型Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S型异质结的构成呈现了更宽的光吸收范围和更大的比表面积，同时促进了光载流子分离，具有更强的氧化还原能力，从而实现了四环素降解和Cr（VI）还原的光催化活性增强；进一步研究表明，h⁺和•O₂^-主要参与四环素的高效降解，而•O₂^-和e-物种主要促进Cr（VI）还原；同时，1.0CZS/BWO光催化剂能够不同环境中保持较强的光催化性能，以去除抗生素和六价铬，且具有良好的稳定性。此外，该材料可以有效降低抗生素溶液的生物毒性。该研究为设计基于硫化物的S型光催化剂用于环境修复提供了新的途径。

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作者简介

李世杰：博士，副研究员，硕士生导师。现为浙江海洋大学-国家海洋设施养殖工程技术研究中心-养殖水环境治理团队负责人，“东海优青”，浙江省高校领军人才（优青）。入选2021年全球顶尖科学家前10万、2021年全球前2%顶尖科学家榜单，主要研究方向为功能纳米材料的构筑及其在可再生能源生产和环境修复中的应用。受邀担任Frontiers in Chemistry副编辑、Advanced Powder Materials和Acta Physico-Chimica Sinica，稀有金属（EI）青年编委、Current Chinese Science， General Chemistry和 Annals of Applied Sciences编委。以第一作者或通讯作者发表在Advanced Powder Materials, Chinese Journal of Catalysis, SCIENCE CHINA : Materials, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Science & Technology和Carbon等SCI论文80余篇；其中ESI全球高被引论文17篇，全球热点（HOT）论文3篇。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目8项。

陈晓波：博士，教授，博士生导师。2005年获得美国凯斯大学化学系博士学位，之后在加州伯克利大学工作至2011年。2011年至今，于美国密苏里大学堪萨斯分校化学系任职。其主要研究兴趣为功能纳米材料及其在光（电）催化、太阳能电池材料与器件、储能材料（包括氢能储存和电能储存）、微波吸收材料等领域的应用研究。陈晓波教授2011年获全球最有突出贡献的100位科学家奖（R&D 100 Award），其研究得到了美国自然科学基金、美国大型电池生产商Dow Kokam LLC等企业的资助。至今已在Science、JACS、Adv. Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.等国际著名期刊发表学术论文110余篇，引用次数达到32000次，出版专著3部，主持过30余次国际学术会议，是Science、JACS、Adv. Mater.等众多著名国际学术期刊的特约审稿人，是Journal of Material Research和Journal of Sol-Gel Science and Technology杂志的编委。

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文章信息

Shijie Li, Mingjie Cai, Yanping Liu, Chunchun Wang, Ruyu Yan, Xiaobo Chen, Constructing Cd_0.5Zn_0.5S/Bi₂WO₆ S-scheme heterojunction for boosted photocatalytic antibiotic oxidation and Cr(VI) reduction, Adv. Powder Mater., 2(2023)100073. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100073.

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