源自层状双氢氧化物结构的锌氧化物和铜氧化物在异相光催化作用下去除药物污染物的协同效应

《Inorganic Chemistry Communications》：Synergistic effect of zinc and copper oxides derived from layered double hydroxides in the removal of pharmaceutical pollutants by heterogeneous photocatalysis

光催化降解水中雷米普利的研究开发新型ZnCuAl-LDO异质光催化剂，经共沉淀法合成后450℃煅烧形成ZnO/CuO纳米复合材料，展现出79%的降解效率，显著优于ZnZnAl-LDO和CuCuAl-LDO。其高比表面积、S型异质结结构及可见光响应能力促进电荷分离，羟基自由基和光生空穴主导降解过程，且具备良好稳定性和循环性。

　　

加尼亚·拉吉（Ghania Radji）|阿卜杜勒拉赫曼·希里（Abderrahmane Hiri）|法塔赫·本·穆萨（Fatah Ben Moussa）|拉查德·梅纳德（Rachad Mennad）|优塞夫·乌拉德·阿卜杜拉（Youcef Oulad Abdellah）|努尔丁·贝塔哈尔（Nourredine Bettahar）|弗朗西斯克·梅迪纳（Francesc Medina）|桑德拉·康特雷拉斯（Sandra Contreras）

催化材料与工业过程实验室（Laboratoire des Matériaux Catalytiques et Procédés Industriels, LMCPI）。科学与技术学院。艾哈迈德·德拉亚大学（Université Ahmed Draia），国家公路6号，01000，阿德拉尔（Adrar），阿尔及利亚

摘要

光催化降解水中的药物污染物是环境修复研究的一个重要领域。本研究开发了一种基于ZnCuAl-LDO混合氧化物的新型光催化剂，用于降解雷米普利（Ramipril）。该光催化剂由ZnCuAl-LDH层状双氢氧化物材料制备而成，通过恒定pH值下的共沉淀反应合成，然后在450°C下煅烧。所得的ZnO/CuO纳米复合材料具有S型异质结结构，有助于高效传递电荷并增强光激发电子-空穴对的分离。实验结果表明，其光催化效率达到79%，同时具有较高的稳定性和更好的光学响应，而ZnZnAl-LDO和CuCuAl-LDO的光催化效率分别为30%和26%。ZnCuAl-LDO的优异性能归因于ZnO和CuO之间的协同作用、较大的比表面积以及更强的阳光吸收能力。自由基捕获实验表明，羟基自由基（HO^●）和光生空穴（h⁺）是降解雷米普利的主要作用剂。与单独使用ZnO或CuO相比，ZnCuAl-LDO光催化剂表现出更高的活性、更好的光稳定性和多次循环后的优异重复使用性能，证实了其在太阳能驱动的废水处理中的潜力。

引言

根据世界制药工业信息研究所的数据，2019年阿尔及利亚是中东地区第四大药品消费国。这种高消费量导致废水中药物微污染物的增加，成为一个日益严重的环境问题。Di Marcantonio等人（2022年）的研究表明，疫情加剧了这一情况，使得污水处理厂中的有机污染物显著增多[1]。这些污染物主要来源于工业化学品、药品、化妆品、杀虫剂和激素，主要通过处理不当的废水排放到水环境中。制药行业是全球最大的行业之一，产生的废水污染严重。药品化合物的结构复杂性和化学稳定性使其难以降解并在环境中长期存在。其中一些化合物即使在低浓度下也具有毒性、致突变性或致癌性。例如，雷米普利（Ramipril）在水中经常被检测到，浓度可达几毫克/升[2]，这凸显了开发先进处理工艺以消除这些污染物的紧迫性[3]。

因此，在将废水排放到自然环境中之前，必须先去除其中的药物残留物。目前已开发出多种处理方法来去除水中的药物化合物，包括生物处理[4]、混凝/絮凝[5]、离子交换[6]、膜过滤[7]、吸附[8]、电化学氧化[9]、芬顿工艺[10][11]和臭氧氧化[12]等。然而，这些技术存在诸多局限性，如设计复杂、操作困难、成本高昂、反应时间较长以及效率有限，限制了其在废水处理中的应用[13]。仅依靠生物处理无法达到再利用或排放处理后水体的要求。此外，传统的离子交换、膜过滤和吸附方法只是将污染物从一种介质转移到另一种介质中，并未将其破坏。随着活性位点的饱和，这些方法的效率会降低，使得吸附剂的再生或重复使用变得困难[14][15]。

面对这些挑战，研究方向转向了更高效、用户友好、经济可行且环境可持续的技术。光催化技术因能够将太阳能转化为化学能的同时净化水体而受到广泛关注。该过程通过生成高活性的氧化剂（如羟基自由基（HO^●）和超氧化物（O?^●-）[16]，有效降解有机污染物为无害的副产物（主要是水、二氧化碳和短链有机化合物）。与芬顿和臭氧工艺不同，光催化过程不需要额外的化学试剂，并可实现有机污染物的完全矿化[17]。

过去二十年里，大量研究集中在利用可见光进行危险有机污染物的光催化降解上。面对日益严重的环境问题和全球能源挑战，开发能够高效利用太阳能这一清洁可再生资源的新光催化剂成为当务之急。主要目标是通过优化带隙来提高材料对可见光的响应能力，从而提升其光催化效率。同时，开发简单、经济且可持续的合成工艺以获得高性能、稳定且可重复使用的光催化剂仍然是研究的关键方向。

基于层状双氢氧化物（LDH）的混合氧化物半导体的光催化技术是一个有前景的研究领域，因为LDH具有低成本、易于合成、稳定性和可重复使用的优点。LDH是一种天然阴离子粘土，具有布鲁赛特石（Mg(OH)?）结构，由二价阳离子部分被三价阳离子取代形成。这种结构形成了由嵌入的阴离子和水分子平衡的正电荷层。LDH的一般化学式为