Z型纳米复合材料用于可见光降解抗生素类有机污染物文献综述

 2023-08-09 16:59:06

文献综述（或调研报告）：

Z型纳米复合材料用于可见光降解维生素类有机污染物研究进展

摘要：

近年来抗生素获得了广泛的应用，但随之而来的抗生素滥用却造成了很严重的环境污染问题。光催化技术由于其环境友好性被认为是一项解决抗生素污染问题的具有前途的策略。迄今为止，多种光催化材料已经被投入研发，但由于其相对低的可见光光活性和稳定性，大多数光催化材料仍不能令人满意。本文从beta;-Bi2O3和g-C3N4着手，总结了其制备方法和相关性质，综述了其研发近况，以期能为研发Z型beta;-Bi2O3-g-C3N4复合材料并用于可见光降解维生素类有机物做出贡献。

关键词：光催化；光降解抗生素；beta;-Bi2O3；g-C3N4；纳米复合材料

自抗生素被大量生产并投入使用以来，抗生素在人类、禽畜的疾病预防与治疗、农业病害防治以及水产养殖等方面取得了非常好的成效。然而，抗生素的滥用和误用造成了非常严重的环境污染问题，其在环境中的残留对生态系统和人类健康已经构成了重大威胁，引起了人们高度关注，人们正在投入大量资源进行抗生素污染治理[1]。光催化技术作为一种绿色、节能、高效的新兴降解技术，可广泛应用于有机污染物的降解矿化处理，因此备受人们青睐。开发性质良好的光催化剂已经成为了光催化领域的研究热点。

  1. 光催化降解概述

半导体光催化能通过光催化过程将太阳能转化为化学能，这一发现为解决能源和环境问题提供了一种新思路。光催化降解就是利用紫外光或可见光进行辐射，通过将有机污染物或者是光催化剂中的电子进行激发，使其中的电子跃迁到激发态，并生成一些具有极强活性的自由基基团。最终通过自由基与有机污染物之间的加合、取代、电子转移等一系列反应，使污染物完全矿化降解，生成水、二氧化碳和无机盐等不会对环境产生二次污染的友好型物质[2]。

    1. 有机污染物的光催化降解机理

光催化剂一般为半导体材料，具有充满电子的低能价带和未充满电子的高能导带，两者之间具有一定的禁带宽度。光催化剂对于化学反应的催化降解机理是，在光照射下，当入射光子的能量高于或等于带隙能量(Eg)时，光催化剂价带中的电子则吸收光子能量被激发跃迁至导带，产生光生电子-空穴对。由于光生电子具有强还原性，空穴具有强氧化性，光生电子-空穴对生成后会迅速迁移至材料表面，与吸附于表面的水、O2、OH-发生氧化还原反应，生成O2-、H2O2、羟基自由基·OH等。这些具有高度化学活性的物质能与大多数吸附在催化剂表面上的有机污染物反应，将有机污染物降解为H2O、CO2等，从而达到降解目的 [3]。

    1. Z型光催化反应体系

Z型光催化反应体系因其电荷传输机理类似于自然界中绿色植物的光合作用而得名，由两个光反应系统组成，光反应系统I(photosystem I，记为PS I)和光反应系统II (photosystem II，记为PS II)。Z型光催化剂以导电介质在溶液中的存在状态又可分为两类，离子态Z型光催化剂和固态Z型光催化剂，不含导电介质的体系归纳为固态类。Z型光催化体系研究历程中，由于离子态Z型光催化剂体系具有氧化还原电子介体缺陷的缘故，而固态Z型光催化体系电荷直接通过界面传输，缩短了传输距离，降低了副反应的发生几率，提高了可见光利用率和光催化效率。因此，离子态Z型光催化剂逐渐被固态Z型光催化剂所取代。其独特的能隙结构和电荷传输方式使得电子与空穴在空间上分离开来，光催化过程中电子空穴复合率低，表现出强氧化还原性，吸引了大量的科学研究者。

Z型光催化材料较之传统的异质结纳米复合光催化材料往往具有更强的氧化还原能力。这是因为异质结型光催化材料的氧化反应和还原反应分别发生在PS I和PS II的价带及导带上，虽有利于光生电子和空穴的分离，但PS I的价带位置相对于PS II靠上，氧化能力减弱；PS II的导带位置相对于PS I靠下，还原能力减弱。因此，异质结光催化材料相对于PS I、PS II随拓宽了它们的光响应范围，但导致它们相应的氧化、还原能力下降。复合Z型光催化材料既能保证宽的光响应范围，又能提高PS I及PS II的氧化、还原能力，因而显示出更强的应用前景[4]。

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