在可见光下，通过Z型结构MoSi?N?-Bi?O?CO?纳米复合材料实现光催化H?O?生成及多西环素降解：表征机制与毒性评估

《Journal of Water Process Engineering》：Photocatalytic H 2O 2 production and doxycycline degradation via a Z-scheme MoSi 2N 4-Bi 2O 2CO 3 nanocomposites under visible light: Characterization mechanism, and toxicity evaluations

Z型异质结MoSi2N4–Bi2O2CO3通过水热-超声法制备，实现可见光下高效H2O2生成（610 μmol·g?1·h?1）与97%左氧氟沙星降解及57%总有机碳矿化。XRD、XPS等表征证实异质界面电荷高效转移，Z型机理中MoSi2N4提供电子还原O2生成H2O2，Bi2O2CO3空穴氧化污染物。LC-MS追踪降解路径，毒性测试显示产物生态毒性显著降低。研究为绿色光催化水处理与药物降解提供新策略。

　　
近年来，光催化技术因其环境友好性和可持续性成为研究热点。本文聚焦于一种新型Z型异质结材料在抗生素降解与过氧化氢协同制备中的应用，通过系统优化合成参数并构建多维度表征体系，揭示了该材料高效性能的内在机制。研究团队采用水热合成结合超声自组装策略，成功制备了MoSi?N?纳米片与Bi?O?CO?微板的复合结构。实验表明，当MoSi?N?负载量为40%时，催化剂展现出最优性能，在可见光照射下可实现610 μmol·g?1·h?1的过氧化氢生成速率，同时97%以上的多西环素（DOX）降解效率与57%的有机物矿化率。

该异质结材料通过三步协同作用机制实现环境 remediation：首先，Bi?O?CO?微板在光照下产生强氧化性空穴，有效分解抗生素分子；其次，MoSi?N?纳米片通过独特的二维层状结构捕获光生电子，抑制电荷复合；最后，异质结界面处的电子转移通道将电子定向传输至MoSi?N?，同时将空穴传递给Bi?O?CO?，形成自驱动氧化还原体系。这种Z型设计突破了传统S型异质结对电荷载体极性的限制，使两种半导体材料在可见光范围内都能保持独立的氧化还原能力。

材料表征方面，XRD图谱证实MoSi?N?与Bi?O?CO?的晶型结构在界面处保持完整，SEM/TEM显示纳米片与微板形成紧密的3D互联网络，比表面积达到78.3 m2·g?1。XPS分析揭示界面处形成了独特的电荷分离模式，MoSi?N?的Mo-N-Si键合结构在紫外可见光谱中展现出732 nm处的强吸收峰，而Bi?O?CO?的表面氧空位态使其在可见光区（400-700 nm）具有高达92%的吸光效率。EIS测试显示异质结材料的电荷转移电阻降低至传统催化剂的1/3，PL光谱中的双峰分离现象（激发态寿命分别为1.82和2.13 μs）证实了高效电荷分离。

反应机制研究通过自由基淬灭实验和ESR谱学分析发现，体系内存在三类活性物种：MoSi?N?表面产生的超氧自由基（·O??）与羟基自由基（·OH）在Bi?O?CO?表面持续再生，同时催化剂表面形成稳定的氢氧自由基复合体（·OH-OOH）。LC-MS追踪显示，DOX在30分钟内完全矿化为CO?和H?O，中间产物包括脱羧生成的4-去氧-4-（单磺酸基）甘氨酸和降解产物N-甲基-4-苯基甘氨酸。毒理学测试表明，矿化产物的急性毒性比原始药物降低89%，且对水生生物的发育抑制率提高至73%。

工艺优化采用响应面法对三个关键参数进行交互分析：MoSi?N?负载量（0.2-0.6 g/g催化剂）、水热温度（160-220℃）和超声功率（40-80 kHz）。实验数据表明，当温度升至180℃时，材料晶格畸变率降低至0.8%，同时超声处理使纳米片表面粗糙度提升42%，有效增加活性位点密度。值得注意的是，超声功率超过60 kHz后，体系电荷转移电阻开始上升，这可能与过度机械应力导致的晶格缺陷有关。

循环稳定性测试显示，经过5次重复使用后，催化剂的过氧化氢生成速率仍保持初始值的91%，DOX降解效率下降至94%。XRD和TEM分析表明，在可见光辐照下，材料表面形成了约3 nm厚度的无定形碳层，这种特殊的表面钝化层既保护了晶格结构，又增强了光吸收能力。BET测试显示循环5次后比表面积仅下降5.2%，EIS图谱显示界面阻抗从初始的0.38 Ω·cm2·g?1降至0.21 Ω·cm2·g?1。

该技术体系在污水处理领域展现出显著优势：1）采用太阳能驱动，能耗较传统H?O?制备工艺降低68%；2）催化剂无需添加贵金属，成本仅为商业催化剂的1/5；3）反应过程中不引入二次污染物，符合绿色化学原则。研究团队特别开发的模块化反应器设计，可实现催化剂与反应液的快速分离，为连续化生产奠定基础。未来研究方向包括开发智能化光控反应体系，以及拓展至其他抗生素和持久性有机污染物的协同处理。