在LaFeO?钙钛矿与氮化硼量子点复合结构中，莫西沙星（一种抗生素）的光-Fenton降解过程得到了增强

硼氮化物量子点（BNQDs）修饰的LaFeO3光芬顿催化剂（LFO@BNQDs）在可见光下高效降解环丙沙星（MOX），LFO@3.0BNQDs 60分钟去除率达98.6%，循环稳定性优异。机理研究表明BNQDs通过界面电荷再分配（带隙 narrowing至2.16eV）、增强Fe3+/Fe2+循环及ROS（•OH/h?为主，•O??/1O?辅助）生成，推动H?O?活化。催化剂在pH3-7及真实水体中均表现良好，MOX经多步氧化转化为低毒中间体，证实环保性。

　　

王玉曦|冷媛|张颖|隋新宇|任欣|常丽敏|段晓月

吉林师范大学工程学院，四平136000，中国

摘要

氮化硼量子点（BNQDs）与LaFeO₃（LFO）钙钛矿结合，构建了一种界面调控的光Fenton催化剂（LFO@BNQDs），用于可见光驱动下的莫西沙星（MOX）降解。本研究旨在阐明BNQDs的引入如何调节界面电荷重分布、Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环以及代表性LaFeO₃钙钛矿平台上的活性氧（ROS）生成。在所有复合材料中，LFO@3.0BNQDs表现出最佳性能，在60分钟内实现了98.6%的MOX去除率，并且在连续四次循环后仍保持超过80%的效率。电化学和光谱分析表明，BNQDs的引入显著改变了界面电荷分布，将带隙缩小至2.16 eV，并显著提高了电荷分离和转移效率，从而促进了H₂O₂的生成和ROS的持续产生。自由基淬灭和EPR实验结果证实，•OH和h⁺是主要的氧化剂，而•O₂^–和¹O_{2则作为辅助物种。该催化剂在广泛的pH范围（3–7）和实际水环境中均保持了高活性。LC–MS和生态毒性分析表明，MOX通过连续的氧化途径转化为毒性较低的中间体，证实了光Fenton过程的环境安全性。本研究提供了关于BNQDs在钙钛矿光Fenton系统中界面调控的机制见解，并为设计高效且环境友好的抗生素废水处理催化剂提供了合理策略。}

引言

随着工业领域的飞速发展，各种污染物的排放量已远远超过自然生态系统的自净能力（Periyasamy, 2025）。特别是抗生素的过度使用和滥用加剧了抗生素污染，对全球生态和健康构成了严重威胁（Chan et al., 2023, Chen et al., 2023b, Theerthagiri et al., 2021, Tian et al., 2022）。作为最大的抗生素生产国之一，中国每年生产约1200吨抗生素，占全球总量的30%（Castro et al., 2024）。其中，莫西沙星（MOX）具有显著的光化学稳定性，在自然光下的半衰期为21–30天。其水解和生物降解速率也远低于传统有机化合物，导致其在水环境中持续积累（Imran Kanjal et al., 2022）。

为了解决抗生素污染问题，人们开发了多种水处理技术，包括吸附、光催化和微波辅助工艺。吸附技术因其简单性和低能耗而具有吸引力；然而，其有限的吸附容量、再生需求以及在复杂水环境中的选择性差限制了其长期应用（Fang et al., 2022, Huang et al., 2026）。光催化可以将抗生素直接矿化为CO₂和H₂O，但传统光催化剂通常存在可见光利用率低、电子-空穴复合快以及矿化不完全的问题，可能会产生有毒中间体（Chen et al., 2023a, Dong et al., 2025, Kumaravel et al., 2019, Lu et al., 2025）。微波辅助催化可以加速反应动力学，但仍受设备成本高、协同机制不明确和可扩展性有限的限制（Xu et al., 2025, Yang et al., 2025）。因此，开发高效、稳健且环境友好的高级氧化工艺仍然是一个关键挑战。

光Fenton工艺作为一种典型的先进氧化工艺（AOP），已成为降解难降解有机污染物的极具前景的技术。该工艺依靠光催化材料激活H₂O₂并生成具有强氧化能力的活性氧（ROS）（Domingues et al., 2022, Mahmoudi et al., 2022, Tan et al., 2023）。H₂O₂因其低成本、高反应性和环境友好性而常被用作绿色氧化剂（Li et al., 2022, Yue et al., 2023）。然而，大多数光催化剂仍存在光生载流子快速复合和适应复杂环境能力有限的问题，限制了其大规模应用潜力。

金属铁酸盐钙钛矿（MFeO₃，M = 稀土或碱土金属），作为典型的ABO₃型氧化物，在光Fenton系统中受到了广泛关注，因为它们对可见光有响应，结构稳定，且具有Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原特性（Fornero et al., 2021）。原则上，Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对是H₂O₂激活的活性中心，而A位金属物种则调节晶格畸变、电子结构和表面电荷分布，从而影响界面电荷转移和污染物吸附（Balta and Bilgin Simsek, 2022, John et al., 2023, Li et al., 2025, Yang et al., 2025）。然而，尽管A位阳离子的结构作用已被认可，但它们对Fe氧化还原循环和光Fenton动力学的贡献却很少被明确研究，且在大多数研究中钙钛矿晶格被视为化学惰性支架。这种简化阻碍了对MFeO₃基光Fenton催化中结构-活性关系的深入理解。

氮化硼量子点（BNQDs）因其量子限制效应、化学稳定性和无金属特性而被广泛引入光催化系统作为电子媒介组分（Gong et al., 2022, Li et al., 2023, Liu et al., 2009）。它们的超小尺寸和丰富的表面位点促进了界面相互作用和电荷调节，使其成为光Fenton催化剂的有希望的改性剂（Yan et al., 2023）。因此，将BNQDs与MFeO₃钙钛矿结合被提出用于提高电荷分离和ROS生成（Munshi et al., 2021, Wang et al., 2024a, Wu et al., 2024）。然而，现有的MFeO₃@BNQDs系统仍面临几个未解决的问题：（i）A位阳离子对BNQDs修饰下Fe³⁺/Fe²⁺循环的影响尚不清楚；（ii）BNQDs的负载量通常是基于经验优化的，缺乏对电子捕获和光利用之间权衡的机制理解；（iii）提出的协同机制主要是定性的，与实验观察到的电荷转移和ROS演变行为缺乏关联。

为了解决这些挑战，选择LaFeO₃（LFO）作为具有明确正交结构和稳定Fe–O框架的代表性A位调控钙钛矿模型，以便系统研究晶格-电子-ROS耦合效应。通过将BNQDs与LFO结合，本研究旨在建立明确的结构-活性-机制关系，将BNQDs负载量与界面电荷转移、Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环和ROS生成联系起来。合成了一系列LFO@BNQDs复合材料，并对其进行了系统的可见光驱动光Fenton降解MOX性能评估。结合材料表征、动力学分析、电子顺磁共振（EPR）光谱、自由基淬灭实验、降解路径鉴定和毒性评估，提供了对LFO@BNQDs光Fenton系统的全面机制理解和环境评估。

部分摘录

化学品

本研究中使用的化学品详见支持信息（SI）的Text S1。

复合催化剂的制备与表征

LFO@BNQDs的合成路线如图1所示，详细制备程序见SI的Text S2。

催化剂的形态、结构、组成、表面化学、光学和电化学性质通过多种技术进行了表征，详细信息见SI的Text S3。

MOX降解实验

所有光Fenton实验均在100 mL烧杯中进行

催化剂的结构与纹理表征

LFO和LFO@BNQDs的晶体相通过粉末X射线衍射仪（XRD）进行了表征。如图2a所示，明显的衍射峰证实了合成样品的高结晶度。对于纯LFO，XRD图谱显示出高度结晶的单相正交结构，衍射峰分别位于22.60°、24.62°、34.30°、43.32°和50.44°，对应于（101）、（111）、（220）、（230）和（412）晶面。

结论

在本研究中，合理构建了一种BNQDs改性的LaFeO₃光Fenton催化剂（LFO@BNQDs），以增强可见光驱动下的MOX降解性能。得益于优化的界面电荷重分布，最佳的LFO@3.0BNQDs复合材料表现出缩小的带隙（E_g = 2.16 eV）、最低的电荷转移电阻和最高的光电流响应，实现了快速的MOX降解（60分钟内98.6%；k = 0.049 min^–1）。该催化剂在广泛的pH范围内保持了高活性

CRediT作者贡献声明

王玉曦：撰写——原始草稿，研究，数据管理。冷媛：研究。张颖：研究。隋新宇：研究。任欣：形式分析。常丽敏：研究。段晓月：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金（编号52170080）和中国吉林省自然科学基金计划（编号20230101325JC）的财政支持。