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Ag/PW12/TiO2復合材料用于高效降解去除抗生素性能：降解途徑和毒性評估
發(fā)布時間：2025-07-10 瀏覽量：55
1. 文章信息
標題：Boosted Photocatalytic Performance for Antibiotics Removal with Ag/PW12/TiO2 Composite: Degradation Pathways and Toxicity Assessment
中文標題： Ag/PW12/TiO2復合材料用于高效降解去除抗生素性能：降解途徑和毒性評估
頁碼： 6831
DOI： 10.3390/molecules28196831
2. 文章鏈接
https://doi.org/10.3390/molecules28196831
3. 期刊信息
期刊名： molecules
ISSN： 1420-3049
2023年影響因子：4.6
分區(qū)信息： 中科院二區(qū)；JCR分區(qū)（Q2）
涉及研究方向： 化學研究的各個領(lǐng)域
4. 作者信息：第一作者是 石洪飛副教授（吉林化工學院）。通訊作者為 石洪飛副教授、李建平講師（吉林化工學院）。
5. 氙燈光源型號：北京中教金源（CEL-HXF300, Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）；
6. 文章簡介：
利用電紡絲/光還原策略制備了一系列多金屬氧酸鹽（POMs）[H3PW12O40]（PW12）摻雜的二氧化鈦（TiO2）納米纖維，經(jīng)過不同量的銀（Ag）納米顆粒（NPs）修飾，分別標記為x wt% Ag/PW12/TiO2（簡稱x% Ag/PT，x = 5、10和15）。所制備的材料經(jīng)過一系列技術(shù)表征，表現(xiàn)出對可見光降解四環(huán)素（TC）、恩諾沙星（ENR）和甲基橙（MO）具有顯著的催化活性。特別是， 10% Ag/PT催化劑具有最佳的光降解性能，對TC達到78.19%的效率，對ENR達到93.65%的效率，對MO達到99.29%的效率。此外，還詳細調(diào)查了影響降解過程的各種參數(shù)（溶液pH值、催化劑用量和TC濃度）。通過HPLC-MS測定展示了光降解中間體和途徑。我們還通過使用T.E.S.T.的毒性評估軟件工具，采用定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系（QSAR）預測，調(diào)查了TC去除期間生成的產(chǎn)物的毒性。機理研究表明，PW12的摻雜和Ag NPs對TiO2的修飾擴寬了可見光吸收范圍，加速了光生載體的有效分離，從而提高了光催化性能。這項研究為開發(fā)高效耐用的環(huán)境修復光催化劑提供了一些新思路。
本文亮點：
1、本工作采用電紡絲/光還原法制備了Ag/PW12/TiO2的催化劑，實現(xiàn)高效光催化降解污染物。
2、詳細研究了在光催化降解過程中，催化劑用量、污染物濃度、pH的影響。
3、采用高效液相色譜-質(zhì)譜法研究了TC的降解途徑，通過QSAR預測對TC降解產(chǎn)物的毒性進行評價。
圖文解析：
圖1. 材料合成示意圖
作者采用電紡/光還原方法制備了Ag/PT復合納米纖維。首先，采用電紡絲/焙燒法合成PT納米纖維。首先，PVP溶于無水乙醇、乙酸和鈦丁酸四丁酯的混合物中并攪拌1 h。然后加入PW12并攪拌直至完全溶解。均勻的前體溶液經(jīng)靜電紡絲操作后經(jīng)焙燒制備PT納米纖維。其次，采用光還原方法在PT納米纖維上修飾Ag納米顆粒。將PT納米纖維粉末加入V水: V異丙醇=1:1的溶液中，超聲處理30 min，然后將溶液抽空，用300 W的氙燈全譜光照射1 h。然后加入AgNO3溶液并攪拌60 min。制備了Ag/PT復合材料。
圖2. 掃描電鏡、透射電鏡以及元素mapping照片
PT納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)和形貌如圖2所示。在550 °C焙燒后，納米纖維的表面相對粗糙且多孔，纖維直徑約為80 ± 20 nm。掃描和投射圖像，明顯地看出Ag NPs均勻地沉積在PT表面，平均直徑為10 ± 5 nm。高分辨掃描電鏡圖像驗證了這些樣品中TiO2和Ag晶格的共存。元素分布圖像進一步表明了樣品中Ag、P、W、Ti和O元素的均勻分布，證明了Ag/PT材料被成功制備。
圖3. 反應性能評價
作者將制備的Ag負載多金屬氧酸鹽摻雜二氧化鈦復合材料應用于光催化降解TC中。結(jié)果表明其具有良好的可見光催化活性，當TiO2、PT、Ag/TiO2作為光催化劑時，TC的降解率分別提高到14.0%、26.53%和43.52%，這意味著PW12摻雜或Ag NPs沉積在TiO2上提高了TC的光降解效率。同時10% Ag/PT的TC去除率進一步提高，為78.19%，Ag/PT的光催化活性隨著Ag納米粒子含量增加而逐漸增強，表明Ag金屬粒子的SPR效應發(fā)揮了重要作用。除此之外，還探究了催化劑用量，污染物濃度，pH降解TC的影響。
圖4. 降解路徑
基于高效液相色譜-質(zhì)譜對降解產(chǎn)物的鑒定，建立了可能的TC降解途徑。TC由兩條路徑，經(jīng)逐步開環(huán)閉環(huán)等一系列反應。最終，中間體的進一步降解可以產(chǎn)生CO2、H2O和無機離子等小分子。根據(jù)上述分析，可以推斷四環(huán)素的光催化降解涉及去酰胺化、脫羥基化和環(huán)開放反應。
圖5. 毒性評估
我們使用毒性評估軟件工具（T.E.S.T.）對TC及其12個中間體的毒性進行了QSAR預測。通過六種毒性對TC中間體進行評估，這些數(shù)據(jù)表明，通過光降解過程降低了TC的毒性，但某些降解中間體的毒性仍然存在。因此，延長降解時間，使TC完全分解為CO2和H2O，進一步降低光降解過程中的毒性是至關(guān)重要的。
圖6. 反應機理示意圖
在可見光照射下，PT被光激發(fā)以產(chǎn)生電子和空穴。同時，由于Ag NPs的表面等離子共振（SPR）效應，產(chǎn)生了大量的熱電子。作為電子陷阱的Ag NPs能夠有效地捕獲PT的導帶上的光誘導電子，而由Ag0建立的肖特基勢壘則促進了SPR激發(fā)電子的轉(zhuǎn)移，進一步加速了電荷分離。Ag NPs上的這些電子與O2反應，形成·O2-參與氧化反應。此外，PT中的光誘導空穴直接氧化TC，根據(jù)ESR測量結(jié)果和捕獲實驗的結(jié)果。最終，在h+和·O2-活性物種的幫助下，TC得到了有效去除。
總結(jié)與展望：
本研究采用電紡絲/光還原方法構(gòu)建了一種新型Ag/PT復合材料，該材料在降解TC、ENR和MO方面表現(xiàn)出卓越的光催化活性。機理研究結(jié)果顯示，其卓越的催化性質(zhì)可以歸因于以下兩個原因：（1）PW12對TiO2的摻雜可以提高可見光譜的利用率和二氧化鈦的氧化還原反應活性；（2）貴金屬Ag具有局部表面等離子共振效應，可以提高陽光的利用率并產(chǎn)生更多的電荷載體。此外，局部表面等離子共振效應將產(chǎn)生高強度的小范圍電磁場，大大提高了光生電子-空穴對的分離速率。此外，通過HPLC-MS揭示了降解中間體和途徑。還使用QSAR預測研究了TC降解產(chǎn)物的毒性。本研究為開發(fā)高效穩(wěn)定的環(huán)境治理催化劑提供了新的思路。
