煤矸石负载NiO/ZnO p-n异质结复合催化剂界面电荷转移增强环丙沙星光催化降解机制研究

　　为解决抗生素环境污染难题，研究人员通过高温热解法开发了CG-ZnO/NiO-x复合催化剂，利用煤矸石(CG)载体与p-n异质结协同作用，在汞灯照射下1小时内实现95.65%的环丙沙星(CIP)降解率。该研究为固废资源化利用及高效催化剂设计提供了新思路。

　　

抗生素污染已成为全球性环境挑战，其中环丙沙星(CIP)作为典型的氟喹诺酮类抗生素，因其难降解性和生态毒性备受关注。传统水处理技术存在二次污染、效率低下等问题，而光催化技术凭借其绿色高效特性展现出独特优势。然而，单一半导体材料如ZnO和NiO存在光生电子-空穴对(e^-
-h⁺
)复合率高、光响应范围窄等瓶颈。与此同时，我国每年产生的煤矸石(CG)固体废弃物超过7亿吨，其资源化利用迫在眉睫。

针对这些挑战，伊犁师范大学的研究团队创新性地将环境治理与固废利用相结合，通过沸腾回流法与高温热解技术制备了CG-ZnO/NiO-x复合催化剂。该研究发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，证实最优配比的CG-ZnO/NiO-2在0.6 g·L^-1
催化剂用量、10 mg·L^-1
CIP浓度、中性pH条件下，1小时内降解效率高达95.65%。

研究团队采用X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射光谱(UV-vis-DRS)揭示了ZnO与NiO间异质结界面的形成机制，结合密度泛函理论(DFT)计算，首次明确氧(O)和镍(Ni)原子是电荷载流子的主要活性位点。煤矸石的层状结构不仅提供了巨大比表面积，其表面丰富的吸附位点更促进了污染物与活性物种的接触效率。

材料表征显示：CG-ZnO/NiO-2中ZnO与NiO呈均匀纳米颗粒分布，异质结界面清晰可见。光催化性能测试证实：相较于单一组分，复合催化剂对CIP的降解动力学常数提升3.2倍，且经过5次循环后仍保持85%以上活性。机理研究通过自由基捕获实验发现，超氧自由基(·O₂
^-
)和空穴(h⁺
)是降解过程的主要活性物种。

可能的机制部分阐明了三重增效原理：①CG的强吸附作用浓缩了污染物分子；②ZnO/NiO p-n异质结的内建电场加速了电荷分离；③异质结拓宽的光响应范围实现了更充分的太阳光利用。DFT计算进一步揭示，异质结界面处自发的电荷重排形成了电子转移通道，使e^-
富集在NiO导带而h⁺
聚集在ZnO价带。

该研究实现了"以废治废"的环保理念突破：一方面将煤矸石这一固体废弃物转化为高附加值催化剂载体，另一方面解决了抗生素污染治理难题。所构建的CG-ZnO/NiO体系展现出三大优势：①成本较传统催化剂降低60%；②无需调节pH即可高效运行；③兼具吸附-催化协同功能。这些发现为工业废水处理提供了可规模化的技术方案，同时为固体废弃物的高值化利用开辟了新途径。