盐酸四环素(TC-HCl)是养殖业和医疗中广泛使用的一类抗生素,其在环境水体中的残留会诱导细菌耐药性的产生和传播。构建高效的异质结光催化剂,是促进光生电子-空穴空间分离、增强光催化活性的核心手段。碳量子点(CQDs)不仅具有优异的上转换荧光特性和电子储存能力,还能作为优良的固态电子传输介质。在g-C₃N₄和Bi₂WO₆之间引入CQDs作为电子桥,可以构建更为高效的双Z型电荷转移路径。
在这一精巧的设计中,CQDs同时接受来自g-C₃N₄和Bi₂WO₆的光生电子,并将这些电子快速传递给吸附在催化剂表面的氧气分子,产生超氧自由基(·O₂⁻)。而两种半导体的强氧化性空穴(h⁺)则被保留,用于直接氧化或产生羟基自由基。本研究通过简单的水热共组装法,成功构建了CN/BWO/CQDs双Z型异质结光催化剂。在可见光照射下,该催化剂对TC-HCl的降解速率是纯g-C₃N₄的22倍,在60分钟内可将初始浓度20mg/L的TC-HCl近乎完全去除,总有机碳(TOC)矿化率超过70%。
自由基捕获和电子顺磁共振实验表明,·O₂⁻和h⁺是降解TC-HCl的主要活性物种。CQDs的上转换荧光特性,将不能被g-C₃N₄和Bi₂WO₆直接吸收的长波长可见光(>500nm)转化为短波长光(<450nm),间接拓宽了光吸收范围,进一步增强了催化活性。X射线光电子能谱和光电化学测试(光电流响应、电化学阻抗谱)证实了双Z型电荷转移路径的形成,并表明该结构极大地促进了界面电荷分离和传输效率。
在连续5次循环使用和真实水体(湖水和二级出水)实验中,CN/BWO/CQDs双Z型异质结展现了优秀的稳定性和抗干扰能力。该研究通过引入CQDs作为固态电子介质,成功构建了双Z型电荷转移路径,实现了光生电荷的更高效空间分离,为设计新一代高效可见光光催化水处理材料提供了创新策略。