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氧四环素（OTC）作为新型污染物对环境和健康造成威胁，传统处理方法效果不佳。本研究通过表征证实g-C?N?/BiNbO?复合材料的O–H、C–N等官能团及能带结构，发现0.3GCN/BNO比例时在自然阳光下180分钟内实现98%的OTC降解效率，其优势源于异质结界面电荷分离与光吸收协同作用。
作者名单：Zi Song Phuah、Kah Hon Leong、Lan Ching Sim、Azrina Abd Aziz、Chaomeng Dai、Jiajun Hu、Swee Pin Yeap、Shaliza Ibrahim
马来西亚霹雳州甘榜市Tunku Abdul Rahman大学工程与绿色技术学院环境工程系，邮编31900
摘要
氧四环素（OTC）作为一种新兴的污染物，在药品和个人护理产品（PPCPs）中越来越受到关注。它可能通过干扰中枢神经系统和消化系统，对人类健康和环境构成重大风险。由于其独特的化学性质，传统的处理方法在降解OTC方面效果不佳。本研究使用g-C?N?（GCN）/BiNbO?（BNO）复合光催化剂来探究OTC的降解过程。通过先进的表征技术，全面分析了该光催化剂的形态、元素组成、微观结构、晶体结构、官能团和带隙能量。FTIR分析证实复合体中存在O–H、C–N和C=N等官能团。UV-Vis DRS分析显示BNO和优化后的GCN/BNO复合体的带隙能量分别为2.87 eV和2.85 eV。光催化实验表明，在自然阳光下，含有0.3GCN/BNO的复合体在180分钟内实现了98%的去除效率，因为这一比例能够实现有效的电荷分离，同时避免GCN过度聚集而影响光吸收。这些发现表明GCN/BNO光催化剂在自然阳光照射下具有降解多种有机污染物的潜力，是一种环保的解决方案。
引言
近年来，科学和技术领域取得了显著进展。因此，由于PPCPs的广泛使用，人们对与水污染相关的环境问题的关注日益增加。在各种水源中检测到了包括OTC在内的PPCPs，其中大部分最终释放到水生环境中。OTC被广泛用于人类和牲畜，但有很大一部分未能完全代谢并释放到环境中[1]。OTC在水中的存在令人担忧，因为它具有毒性，可以在生物体内积累，并且稳定性较高。长期暴露可能导致抗生素耐药性的产生，并破坏生态平衡。然而，传统的废水处理技术往往无法有效去除OTC，这凸显了需要更先进和高效的去除策略。高级氧化过程（AOPs）通过生成活性自由基（如羟基自由基•OH）来高效分解有机污染物，在阳光下将这些污染物分解为水（H?O）和二氧化碳（CO?）。异相光催化是一种广泛认可、环保、经济、无毒且稳定的方法，可用于去除各种有机污染物[2]。尽管二氧化钛（TiO?）常被用作光催化剂，但它存在一些缺点，例如在紫外区域的活性有限、重组率高以及容易聚集，因此需要寻找替代光催化剂[3]。GCN是一种聚合物半导体光催化剂，兼具化学稳定性和热稳定性。它因其丰富的资源和良好的光催化性能而受到关注，因为它由碳和氮元素组成，可以使用尿素、三聚氰胺和硫脲等廉价前体大量生产[4][5]。此外，其2.7–2.8 eV的带隙和高达600°C的热稳定性使其适用于多种功能性纳米材料应用[6][7][8][9]。然而，其2.7 eV的带隙和光生载流子快速重组的倾向限制了其光催化性能[11]。为克服这些限制，将GCN与其他半导体结合使用已被证明是一种有效的策略。另一方面，铋铌酸盐（BiNbO?）是一种有效的光催化剂，因为它对可见光具有响应性，这归因于价带中的Bi 6s轨道位于O-2p轨道之上，从而降低了带隙并实现了可见光下的活化[12]。BiNbO?存在α或β两种形式，具有不同的晶格结构、带隙能量和光催化活性。α相的带隙范围为2.6 eV-2.8 eV，而β相的带隙范围为3.2 eV-3.4 eV，相变受合成条件影响[13]。在相变过程中，可以生成Bi?Nb?O??和Bi?NbO?等衍生物，这些衍生物的结构有利于电子积累和反应位点的形成，从而提高光催化活性[14][15]。通过柠檬酸溶胶-凝胶法和不同温度下的煅烧制备的BNO变体具有2.33 eV的带隙和出色的光催化性能[16][17]。将BNO与GCN结合使用可以延长载流子的寿命并增加载流子捕获位点，从而提高光催化活性[18]。在本研究中，通过自然阳光下的OTC降解实验评估了GCN/BNO复合光催化剂的表现。这种组合旨在利用BNO的稳定性和电子迁移率以及GCN的可见光吸收和光催化效率，从而实现更有效的环境应用光催化系统。之前的研究主要在人工光源下评估了光催化性能，而自然阳光下的复合比例优化效果尚未得到充分探索[18]。这一研究空白限制了我们对实际环境条件下其太阳能驱动效率的理解。因此，本研究使用自然阳光进行光催化，因为它提供了一种可持续且丰富的能源，使过程更加环保和经济[19]。与人工光源不同，自然阳光覆盖了包括紫外（UV）和可见光在内的宽光谱，非常适合激活GCN和BNO等光催化剂。GCN具有窄带隙，特别擅长吸收可见光，而可见光占阳光的大部分[20]。这有助于更好地利用阳光光谱驱动光催化反应。使用阳光还能减少能源消耗，符合绿色化学原则，减少传统污染物降解方法带来的碳足迹[21]。此外，阳光驱动的光催化过程模仿了自然降解过程，使其更适用于大规模环境应用，如废水处理，因为依赖免费的可再生能源具有显著优势[22]。
材料
五水合硝酸铋(III)（Bi(NO?)?·5H?O，98.5%）、乙二醇（99%）和硝酸（65%）购自R&M Chemicals。五氧化二铌（Nb?O?，99.99%）、尿素（99.5%）和对苯醌（PBQ）购自Sigma-Aldrich。无水乙酸钠（C?H?NaO?，99%）、聚乙二醇400（PEG 400）和三乙胺（TEA，98%）购自Chemiz。乙醇（95%）购自HmbG Chemicals。重铬酸钾（K?Cr?O?，99.99%）购自QReC。表面形态和元素组成
图2展示了GCN、BNO、0.3GCN/BNO、0.5GCN/BNO和0.7GCN/BNO纳米片的FESEM图像。这些图像详细展示了纳米片的表面形态和结构特征。GCN（图2a）呈现出不规则形状的纳米片微观结构，类似于箔片和云芝结构，与其他研究者的报告一致[24][18]。BNO（图2b）在块状框架上显示出类似芽状的形态。
结论
总之，合成的0.3GCN/BNO异质结光催化剂在阳光照射下实现了98%的OTC去除效率。鉴于OTC的毒性和对人类健康及生态系统的潜在危害，开发有效的降解方法（如光催化）至关重要。本研究通过物理混合两种半导体GCN和BNO制备了GCN/BNO光催化剂，并对其物理和化学性质进行了彻底分析。
数据可用性
本研究生成或分析的数据包含在本文中。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本研究工作的财务利益或个人关系。
作者贡献声明
Chaomeng Dai：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究。
Azrina Abd Aziz：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究、数据分析。
Swee Pin Yeap：撰写 – 审稿与编辑、验证。
Jiajun Hu：撰写 – 审稿与编辑、验证。
Zi Song Phuah：撰写 – 初稿撰写、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。
Lan Ching Sim：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究、数据分析。
Kah Hon Leong：未引用参考文献
[31], [32], [58]
利益冲突声明
作者声明以下财务利益或个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Kah Hon Leong报告称获得了马来西亚高等教育部（MOHE）的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了马来西亚高等教育部（MOHE）通过基础研究资助计划（FRGS/1/2021/TK0/UTAR/02/4）的支持。
