摘要
随着工农业生产与医药行业的发展，药物和金属离子等有机和无机污染物大量涌入水体。近年来，在水体环境中，残留的抗生素和重金属被频繁检出，其对水生生物以及人体健康均构成了潜在的危害。光催化技术利用太阳能为驱动力激发半导体产生电子空穴对（e--h+）及衍生的活性自由基，具备同时降解抗生素和还原重金属的能力，因而在环境修复方面具有巨大潜力。开发光生载流子分离效率高、光利用效率高、稳定性好的光催化剂是可持续去除复合污染物的先决条件。本文以Bi2O2CO3（BOC）为研究对象，利用元素掺杂诱导晶格应变和缺陷，协同量子点修饰进行表界面结构调控，优化半导体表面电子结构和形成有效的界面电荷迁移通道，从而突破电荷传输动力学的限制。系统表征了材料的晶体结构、化学组成和微观形貌；分析了材料的光电特性；研究了改性BOC在可见光照射下去除水中难降解抗生素和有毒重金属离子的活性，揭示了催化剂的表界面结构与其光催化性能之间的构效关系，并深入剖析了目标光催化反应的机理。主要结论如下： （1）利用一步水热法合成了Sn(IV)掺杂的BOC光催化剂，同时巧妙地引入压缩应变和氧空位（OVs），旨在调节材料的表面特性，用于光催化同步去除左氧氟沙星（LEV）和Cr(VI)。理化性质表征证明，3%Sn-BOCamp;nbsp;表现出优越的微观形貌结构，暴露出更多的活性位点；光电性能测试揭示3%Sn-BOC具有较高的载流子密度和电荷分离效率。3%Sn-BOC在光照50 min内氧化LEV和还原Cr(Ⅵ)的效率分别达到85%和98%。表征和DFT计算证实，晶格应变可优化活性中心的电子结构，降低电子跃迁能。此外，晶格畸变激活晶格氧生成OVs，可以作为电子陷阱捕获电子，抑制光生载流子的重组。自由基捕获实验和ESR测试结果表明，h+、?OH和?O2-是LEV降解的主要活性物种，而e-主导贡献Cr(VI)的还原，揭示了光催化同步去除LEV和Cr(VI)的机理。根据LC-MS鉴定的LEV降解的中间产物推断了三条可能的降解路径，并用ECOSAR软件评估了中间体的生态毒性大多低于LEV。 （2）通过两步水热法将甘蔗渣衍生的碳量子点（ CQDs ）负载在3%Sn-BOC上，从而实现表界面调控协同增效光催化去除污染物性能。Sn-BOC/CQDs-2展现出优于3%Sn-BOC的光捕获能力、载流子分离能力和电荷迁移能力。Sn-BOC/CQDs-2对LEV和Cr(VI)的去除效率分别达到88.7%和99.3%。实验和DFT计算结果表明，Sn-BOC/CQDs-2光催化性能的提升得益于界面处形成Bi-O-C化学键，不仅为加速电荷传输和转移提供了原子级的界面电子通道，同时可以有效防止电子回流。此外，揭示了CQDs在稳定OVs机制中的关键作用，它将取代OVs作为H2O和O2吸附和催化活化中心，从而阻止反应物分子占据OVs。最后，根据LC-MS鉴定的中间体和Fukui指数预测的攻击位点，推断出三条LEV可能的降解途径，主要包括脱羧、脱氟、哌嗪环和喹诺酮类环的裂解。 本文的研究成果提供了调控铋基半导体的表界面特性，增强光利用效率、稳定氧空位和增强结构稳定性的借鉴策略，提升了材料的光催化氧化-还原活性。
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