催化学报

催化学报 ›› 2025, Vol. 72: 130-142.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64652-3

• 论文 • 上一篇    下一篇

构筑等离子体共振增强型S型异质结Ag/Ag2CO3/C3N5光催化剂实现高效抗生素降解

李世杰a,*(), 李鑫玉a, 刘艳萍a, 张鹏c, 张俊磊b,*(), 张宾a,*()   

  1. a浙江海洋大学食品与药学学院, 国家海洋设施养殖工程技术研究中心, 浙江舟山 316022
    b西北工业大学材料科学与工程学院, 陕西西安 710072
    c郑州大学材料科学与工程学院, 低碳环保材料智能设计国际联合研究中心, 河南郑州 450001
  • 收稿日期:2024-12-10 接受日期:2025-02-06 出版日期:2025-05-18 发布日期:2025-05-20
  • 通讯作者: *电子信箱: lishijie@zjou.edu.cn (李世杰),junlei@nwpu.edu.cn (张俊磊),zhangbin@zjou.edu.cn (张宾).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(U1809214);国家自然科学基金(52300218);浙江省自然科学基金(LY20E080014);浙江省自然科学基金(LTGN23E080001)

Interfacial engineering of a plasmonic Ag/Ag2CO3/C3N5 S-scheme heterojunction for high-performance photocatalytic degradation of antibiotics

Shijie Lia,*(), Xinyu Lia, Yanping Liua, Peng Zhangc, Junlei Zhangb,*(), Bin Zhanga,*()   

  1. aNational Engineering Research Center for Marine Aquaculture, College of Food Science and Pharmacy, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China
    bSchool of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China
    cState Centre for International Cooperation on Designer Low-carbon and Environmental Materials (CDLCEM), School of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China
  • Received:2024-12-10 Accepted:2025-02-06 Online:2025-05-18 Published:2025-05-20
  • Contact: *E-mail: lishijie@zjou.edu.cn (S. Li), junlei@nwpu.edu.cn (J. Zhang), zhangbin@zjou.edu.cn (B. Zhang).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(U1809214);National Natural Science Foundation of China(52300218);Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(LY20E080014);Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(LTGN23E080001)

RichHTML

0

PDF

32

摘要：

近年来, 随着工业化进程的不断推进, 全球环境污染问题日益严峻, 尤其是水体中的抗生素污染, 已成为全球水环境治理中的突出问题. 常规水处理方法难以有效去除这些污染物.

值得注意的是，在众多水处理技术中, 光催化技术因其具有环保、高效和能量消耗低等优点, 成为了水体污染治理的重要手段之一. 光催化反应可以利用太阳能或人工光源驱动水中的有机污染物降解, 特别是在去除抗生素污染方面展现了独特的优势. 然而, 现有光催化材料的应用仍受到太阳光利用率低、光生载流子的快速复合以及氧化还原能力较弱等问题的限制, 导致无法有效地催化降解抗生素类污染物. 为了克服上述问题, 越来越多的研究开始关注S型异质结材料. 研究表明, 通过合理设计和构筑S型异质结, 可以有效提高光催化材料的光吸收能力, 电荷分离效率和催化稳定性. 与传统的S型异质结相比, 局域表面等离子体共振(LSPR)效应调控的S异质结材料能够更加充分地利用太阳能, 延长光生载流子的寿命, 抑制其复合, 又能保留强氧化还原能力, 从而大幅提升光催化降解污染物的效率. 因此, 开发新型的LSPR效应调控的S异质结材料, 不仅为解决水体中抗生素污染问题提供了新的技术路径, 也为环保领域的光催化研究开辟了新的方向.

本文创新性地通过原位化学沉积法构建了S型Ag2CO3/C3N5异质结光催化材料, 并进一步通过光还原反应在Ag2CO3/C3N5表面原位生成金属Ag纳米颗粒(粒径分布: 3.5-12.5 nm), 成功制备出具有等离子体共振效应的0D/0D/2D三元S型Ag/Ag2CO3/C3N5异质结光催化剂. 实验结果表明, 该三元复合体系对土霉素展现出显著增强的光催化降解性能, 其光反应速率常数高达0.0475 min-1, 分别是单一C3N5, Ag2CO3及二元Ag2CO3/C3N5材料的13.2倍、3.9倍和2.2倍. 通过系统化的表征手段结合密度泛函理论计算, 揭示了该材料性能提升的双重机制: 一方面, 金属Ag纳米颗粒的LSPR效应显著拓宽了材料在可见光区的吸收范围; 另一方面, 独特的S型电荷转移机制在0D Ag/Ag2CO3纳米颗粒与2D C3N5层状结构的0D/0D/2D异质界面处形成高效载流子传输通道. 二者的协同作用不仅促进了光生电子-空穴对的有效分离, 更通过能带工程调控大幅增强了活性物种(·OH-, h+及·O2-)的生成效率, 从而实现对土霉素分子的高效矿化降解. 值得注意的是, 该材料在连续四次循环实验中降解效率仍高达81.7%, 展现出优异的稳定性. 此外, 在实际水体净化测试中, 其对多种复杂水质环境(含腐殖酸, 高盐度等)均表现出良好的适应性, 证实了工程化应用的可行性.

本研究的科学价值体现在两方面: 首先, 通过等离子体共振效应与S型异质结的巧妙耦合, 为设计高效光催化体系提供了创新性策略; 其次, 通过理论计算与实验验证相结合的研究范式, 深入阐明了材料结构与性能间的构效关系, 为水污染治理技术发展提供了理论支撑与实践参考. 该成果不仅推动了S型异质结光催化材料的理论发展, 更为实际水处理工艺的升级提供了具有应用前景的候选材料体系.

关键词: 局部表面等离子体共振, S型机制, Ag/Ag?CO?/C?N?, 抗生素去除, 内建电场

Abstract:

Devising S-scheme heterostructure is considered as a cutting-edge strategy for advanced photocatalysts with effectively segregated photo-carriers and prominent redox potential for emerging organic pollutants control. Herein, an S-scheme Ag2CO3/C3N5 heterojunction photocatalyst was developed via a simple in situ chemical deposition procedure, and further photoreduction operation made metallic Ag (size: 3.5-12.5 nm) being in situ formed on Ag2CO3/C3N5 for a plasmonic S-scheme Ag/Ag2CO3/C3N5 heterojunction photocatalyst. Consequently, Ag/Ag2CO3/C3N5 manifests pronouncedly upgraded photocatalytic performance toward oxytetracycline degradation with a superior photoreaction rate constant of 0.0475 min‒1, which is 13.2, 3.9 and 2.2 folds that of C3N5, Ag2CO3, and Ag2CO3/C3N5, respectively. As evidenced by comprehensive characterizations and density functional theory calculations, the localized surface plasmon resonance effect of metallic Ag and the unique S-scheme charge transfer mechanism in 0D/0D/2D Ag/Ag2CO3/C3N5 collaboratively strengthen the visible-light absorption, and facilitate the effective separation of powerful charge carriers, thereby significantly promoting the generation of reactive species like ·OH-, h+ and ·O2- for efficient oxytetracycline destruction. Moreover, four consecutive cycles demonstrate the reusability of Ag/Ag2CO3/C3N5. Furthermore, the authentic water purification tests affirm its practical application potential. This work not only provides a candidate strategy for advancing S-scheme heterojunction photocatalysts but also makes a certain contribution to water decontamination.

Key words: Localized surface plasmon resonance, S-scheme, Ag/Ag2CO3/C3N5, Antibiotic removal, Internal electric field