TiO2/MOFs纳米复合材料光催化降解抗生素：机理、异质结调控与工业应用前景

《Water Science and Engineering》：Photocatalytic degradation of antibiotics using TiO 2/MOFs nanocomposites: A review

本文系统评述了TiO2/MOFs复合材料在抗生素污染控制中的光催化机制与性能优化策略，揭示了异质结结构（如Z型与S型）和能带调控对提升电荷分离效率及可见光响应的关键作用，为纳米材料在环境修复中的定向设计提供理论支撑。

　　

随着工业化进程加速，水体中抗生素污染已成为全球性环境挑战。传统水处理技术对低浓度抗生素的去除效率有限，而光催化技术因其高效、无二次污染的特性受到广泛关注。在众多光催化材料中，二氧化钛（TiO₂）因成本低、无毒且稳定性高，被视为降解抗生素的理想催化剂。然而，TiO₂的宽禁带（仅吸收占太阳光谱4%–5%的紫外线）及光生电子-空穴对易复合的缺陷，严重制约了其实际应用。

为突破这些瓶颈，研究者将TiO₂与金属有机框架（MOFs）结合，构建TiO₂/MOFs纳米复合材料。MOFs的高比表面积和可调控孔结构能有效吸附富集污染物，而TiO₂提供光催化活性，二者协同可扩展光吸收范围、促进电荷分离。然而，现有研究多局限于理想实验条件，对材料在实际废水环境中的稳定性、规模化合成可行性及经济性缺乏系统评估。本文发表于《Water Science and Engineering》，旨在全面梳理TiO₂/MOFs复合材料在抗生素降解中的机理与应用进展，并批判性分析其工业化面临的挑战。

在方法学上，研究通过异质结工程（如构建Z型、S型异质结）调控能带结构，利用X射线光电子能谱（XPS）和莫特-肖特基分析验证界面电荷转移；采用漫反射光谱（DRS）和光致发光光谱（PL）表征材料光学性质；结合密度泛函理论（DFT）模拟能带排列与电荷分布；通过光电化学测试计算电荷转移效率（η_tran），并以四环素（TC）、磺胺类抗生素等为模型污染物评估降解性能。

1. 降解机制

TiO₂在光照下产生电子-空穴对，空穴氧化水分子生成羟基自由基（·OH），电子还原氧气形成超氧自由基（·O₂^?），这些活性氧物种（ROS）可无选择性氧化抗生素分子至矿化。MOFs的吸附作用能将局部污染物浓度提升至5倍，加速界面反应。研究表明，TiO₂/MOFs复合材料对四环素、罗丹明B等污染物的去除率可达97%以上，反应时间显著缩短。

2. 异质结结构形成

TiO₂与MOFs复合后形成Type II、Z型或S型异质结，其中Z型与S型异质结因能保留强氧化还原电位且促进电荷分离，表现最优。例如，MIL-53(Fe)/TiO₂异质结的电荷转移效率达66.7%，远高于纯TiO₂（38.8%）。DFT模拟显示异质结界面存在显著电子转移，降低能隙并增强光响应。

3. 能带结构调整

通过氧空位缺陷工程、掺杂（如10%铜修饰）等方式窄化TiO₂禁带宽度，使其可见光吸收范围扩展。莫特-肖特基分析证实n型半导体特性，Tauc曲线计算显示UiO-66/TiO₂复合材料带隙较纯组分窄化，PL光谱表明电子-空穴复合率降低。

结论与讨论

TiO₂/MOFs复合材料通过吸附-光催化协同机制显著提升抗生素降解效率，异质结结构与能带工程是优化性能的关键。然而，材料在实际废水中的长期稳定性、规模化合成重复性及成本问题仍是工业化瓶颈。未来研究需聚焦形貌调控（如多级孔设计）、AI辅助材料开发，并加强实际水体验证，以推动该技术从实验室向工程应用过渡。