利用富含氧空位的MoO?–Bi?MoO?–Ag?S量子点异质结显著增强磺胺甲噁唑的光催化降解性能及其在抗菌应用中的潜力

高效可见光驱动下磺胺甲噁唑降解与抗菌的光催化材料设计及机理研究。缺陷工程调控的MoO3-Bi2MoO6-Ag2S量子点异质结通过双Z型电荷转移机制，实现94.02%的SMX矿化率（k=0.0103 min?1），并具备99.9%的E. coli和S. aureus抑制率。材料比表面积达312.23 m2/g，带隙优化至2.58 eV，缺陷态氧空位调控增强电荷分离与氧化还原能力。

　　

J.P. Steffy|B. Janani|Mohammed Rafi Shaik|Mohamed E. Assal|S. Sudheer Khan

印度泰米尔纳德邦金奈Saveetha大学Saveetha医学与技术科学研究所（SIMATS）Saveetha牙科学院和医院口腔医学与放射学系，邮编600077

摘要

水环境中的药物残留物和微生物病原体对生态系统完整性和公共卫生构成严重威胁，这凸显了需要高效且可持续的修复策略。在这项研究中，开发了一种缺陷工程化的MoO₃-Bi₂MoO₆-Ag₂S（MBA）量子点异质结光催化剂，该催化剂能够在可见光下降解磺胺甲噁唑（SMX），并在黑暗条件下实现抗菌灭活。与传统基于MoO₃-Bi₂MoO₆或Ag₂S的系统不同，将Ag₂S量子点与氧空位调控的MoO₃-Bi₂MoO₆异质结构结合，显著增强了界面电荷转移，并实现了双重降解-消毒功能。通过SEM、TEM、XRD、XPS、PL、EIS和ESR等综合表征方法确认形成了富含缺陷的异质结。XRD分析显示微应变值为0.00325，表明界面缺陷的形成导致了晶格畸变。这一观察结果与XPS O 1 s光谱一致，光谱显示催化后氧空位的贡献减少了约20%。ESR测量检测到了与缺陷相关的陷阱电子（g ≈ 2.00）和光诱导的活性氧物种。UV–vis DRS实验表明带隙从3.24 eV（MoO₃）缩小到2.58 eV（MBA），N?吸附-脱附分析显示比表面积为312.23 m²/g。在制备的样品中，MBA-20表现出优异的光催化性能，SMX降解率达到94.02%，速率为0.0103 min^?1，并且在六个循环后仍保持优异的稳定性。此外，在25 mg/L浓度下，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率达到了约99.9%。TOC去除和ECOSAR评估证实了有效的矿化作用，并降低了生态风险，这凸显了缺陷调控量子点异质结在高级废水处理中的潜力。

引言

药物对环境的影响是一个重要且日益严重的问题。世界各地的水体中都检测到了药物的存在，这些药物通常来自人类的排泄或未使用的药物不当处置。药物在水体中的出现对生态系统构成了重大威胁[1]。此外，这些具有药理活性的化合物（PhACs）在环境中的持久性强调了需要全面的消除策略。解决这一问题对于减轻药物污染对生态系统的潜在后果至关重要[2]。 抗生素在改善人类健康方面发挥着重要作用，但其广泛排放却带来了环境风险[3]。磺胺类药物是从磺胺酸衍生而来的，通过干扰二氢叶酸的合成来抑制细菌生长。广泛使用的磺胺甲噁唑（SMX）在环境中的浓度范围为0.13至1.9 μg/L[4]。即使在如此低的浓度下，SMX也会对生态系统和人类健康造成显著影响。它可以抑制藻类生长，导致斑马鱼胚胎畸形，并改变水生生物的膜通透性。此外，长期暴露于SMX与不良健康后果和潜在的慢性毒性有关，引发了环境和公共卫生的担忧[5]。其在地表水和废水中的频繁检测凸显了迫切需要有效的降解策略。 传统方法如絮凝、吸附、过滤和混凝常用于有机污染物的去除，但它们在实现完全矿化方面效率低下，并可能产生有害的二次污染物[6],[7],[8]。因此，开发一种高效且替代性的方法来去除SMX至关重要。新兴的高级氧化过程（AOPs）因其能够生成高活性物种而受到关注，这些物种能有效降解顽固的有机污染物并减少有毒金属离子（如Cr(VI)[9],[10]。其中，光催化作为一种可持续且高效的技术脱颖而出，它利用光能驱动污染物分解，同时具有实现完全矿化和最小化二次污染的潜力。三氧化钼（MoO?）是一种n型半导体，因其良好的电子传输特性和适宜的带隙而常用于光催化[11]。在其多形体中，六方相MoO?（h-MoO?）特别具有吸引力，因为其隧道状框架和丰富的氧空位有助于离子扩散并增强表面反应性[12],[13]。尽管具有这些优势，原始的MoO?仍存在固有缺陷，包括相对较宽的带隙、有限的可见光吸收以及光生载流子的快速复合，这些限制了其光催化效率。因此，合理的异质结工程对于克服这些缺点至关重要。在这项工作中，设计了一种新型的MoO?–Bi?MoO?–Ag?S（MBA）量子点基异质结，以实现高效的可见光驱动的磺胺甲噁唑（SMX）降解[14],[15]。 铋钼酸盐（Bi₂MoO₆）具有由[MoO₄]^2?和[Bi₂O₂]²⁺交替组成的特殊层状结构。它是一种n型半导体材料，因其高效的可见光光催化性能而受到广泛关注[16]。Bi₂MoO₆具有约2.5–2.8 eV的适宜带隙，能够有效吸收可见光，使其成为传统紫外活性光催化剂（如TiO₂）的有希望的替代品[17]。在不同的铋钼酸盐结晶相中，γ-Bi₂MoO₆相表现出优异的物理化学性质，包括高催化活性、离子导电性和介电性能。共沉淀法具有多种优势，包括简单性、成本效益以及对粒径和形态的更好控制，使其成为生产高质量Bi₂MoO₆纳米颗粒（NPs）的合适技术，适用于环境和能源相关应用[18]。然而，光生载流子的快速复合和有限的吸收范围仍然是挑战。为了解决这些限制，人们广泛采用了形成异质结等策略来提高其光催化性能[19]。量子点（QDs）最近作为光催化系统中的有希望的组分出现，因为它们具有尺寸依赖的带结构、强大的光捕获能力和高效的载流子动力学[20]。特别是硫化银（Ag₂S）量子点，具有窄带隙（约0.9–1.5 eV）、高吸收系数和良好的化学稳定性，使其成为扩展可见光和近红外光利用的理想候选者。除了传统的半导体耦合外，量子点集成还提供了调节界面带对齐和促进定向电荷转移的机会。 尽管对MoO?–Bi?MoO?异质结进行了大量研究[21]，但大多数报道的系统表现出中等的动力学速率常数（k通常<0.05 min^?1）、有限的矿化效率以及由于快速电荷复合和氧化还原潜力保持不足而导致的活性逐渐丧失。在传统的II型耦合中，虽然实现了电荷分离的增强，但往往以氧化和还原能力的减弱为代价，这限制了磺胺甲噁唑（SMX）的完全矿化。因此，构建一个同时改善电荷分离并保持强氧化还原潜力的系统仍然是一个关键挑战。引入氧空位（Ov）调控可以促进电荷捕获和界面转移，而窄带隙的Ag?S量子点有望扩展可见光吸收并促进定向电荷迁移。因此，提出了一种双Z方案架构，以保持MoO?和Bi?MoO?的高氧化还原潜力，同时加速电荷分离，从而提高矿化效率和催化稳定性。 在这项工作中，构建了一种经过Ag₂S量子点改性的MoO₃-Bi₂MoO₆异质结构，该结构具有氧空位调控功能，以实现高效的可见光驱动的磺胺甲噁唑降解。Ov丰富的MoO₃、层状Bi₂MoO₆和Ag₂S量子点的协同整合促进了扩展的光吸收、增强的电荷分离以及通过双Z方案电荷转移机制改善的氧化还原能力。

材料

氨钼酸盐（(NH₄)₆Mo₇O₂₄.4H₂O，98%）和磺胺甲噁唑（C₁₀H₁₁N₃O₃S，99%）从印度SRL Laboratories Pvt. Ltd.购买。硝酸铋（Bi(NO₃)₃.5H₂O，98%）、硝酸银（AgNO₃，99%）和硫化钠（Na₂S.xH₂O，50%）从印度MolyChem Pvt. Ltd.购买。氢氧化钠（NaOH，99%）从印度Merck购买。黄原胶、硝酸（HNO₃，69%）和过氧化氢（H₂O₂，30% w/v）从印度Loba Chemie Pvt. Ltd.购买。所有化学品均为...

形态分析

使用SEM研究了制备材料的形态，包括粒径、形状和表面特征。采用水热合成法制备了纳米结构的MoO₃，并仔细评估了反应温度和时间对形态演变的影响。SEM结果显示，在180°C下反应24小时后合成了纳米棒状的h-MoO₃（图1a和b）。我们优化的180°C合成过程产生了均匀的纳米棒，与先前的报告一致

结论

成功合成了MBA-20光催化剂，该催化剂由MoO₃、Bi₂MoO₆和Ag₂S量子点组成，这突显了结构设计和缺陷工程在推进可见光驱动光催化方面的潜力。引入晶格应变和氧空位被证明可以调节电子环境并增强界面电场，从而提高光催化性能。该复合材料表现出较大的比表面积（312.23 m²/g）和2.58 eV的带隙能量

CRediT作者贡献声明

J.P. Steffy：撰写 – 原始草稿、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理。 B. Janani：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、数据管理。 Mohammed Rafi Shaik：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、正式分析。 Mohamed E. Assal：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、数据管理。 S. Sudheer Khan：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件、项目管理、资金获取、正式分析、数据管理。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了AI辅助技术ChatGPT来检查某些句子的语法和拼写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得King Saud大学的正在进行的研究资助计划（ORF-2026-665）提供的资金支持。