阿莫西林（AMX）作为广谱β-内酰胺抗生素广泛用于疾病预防。然而，由于生物体的代谢不良，大多数AMX通过原始排泄形式持续排泄到生态环境中，对生态系统构成更大的威胁。传统的废水处理技术，如氧化、过滤和吸附等，无法有效地去除水体中的抗生素，从而使其残留在土壤或水生生态系统中，这可能会导致微生物或其他生物对抗生素的抗药性增加。鉴于AMX在医学和其他领域的频繁应用，迫切需要找到新的去除方法来有效解决抗生素污染问题。

近日，江苏科技大学郭峰副教授，施伟龙副教授与北华大学林雪教授，时君友教授团队合作在本次工作中，通过将碳点（CD）负载到棒状CoFe₂O₄（CFO）上制备的新型复合光催化剂CDs-CoFe₂O₄，可以在可见光照射下通过光催化/过硫酸盐（PMS）活化有效降解阿莫西林（AMX）。降解结果表明，CDs-CFO-5复合材料在80 min内达到了97.5%的最佳降解效率。这种增强的活性归因于CD的引入，CD有效地提高了光生电子对的分离效率，并创建了新的活性位点作为电子桥，从而提高了光催化性能。更重要的是，CD和CFO产生的光诱导电子之间的强协同作用可以进一步激活PMS，以提供更多的SO₄⁻和·OH自由基，从而提高对AMX的降解能力。本研究旨在阐明CD在降解反应中光催化/过硫酸盐活化中的积极作用。

图1  CDs-CoFe₂O₄复合材料的具体合成步骤

通过蚀刻石墨棒的电化学方法合成CD。CDs-CFO的合成是通过一个简单的两步过程，包括溶剂热法和煅烧过程。首先，将摩尔比为2:1的Fe(acac)₃和Co(NO₃)₂·6H₂O加入DMF和乙醇混合溶剂中。接着，加入对苯二甲酸，然后剧烈搅拌30 min，直到混合均匀。之后，将一定量的CD加入到混合溶液中并搅拌30 min。然后，将混合溶液转移到100 ml高压釜中，并在120 °C下保持12 h。冷却至室温后，用乙醇洗涤所得产物并在60 °C下干燥。最后，在马弗炉中以1°C·min⁻¹的加热速率进一步煅烧干燥产物，并在400 ℃下保持1小时。此外，通过添加2.5、5和10 mg的CDs制备了不同比例的CD-CFO复合材料，并表示为CDs-CFO-X（X=2.5、5和10）。CFO合成的步骤与上述的方法类似除了不添加CD。

图2  CDs-CFO-5复合材料的(a) TEM、(b) HRTEM和(c) HAADF-STEM以及相应元素映射图像

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了所制备样品的形貌和纳米结构。图3(a)显示出CFO呈棒状结构。微棒由大量纳米颗粒组成。图3(b)中CDs-CFO-5的高分辨率TEM（HRTEM）图像显示，0.25 nm和0.21 nm的晶格间距分别对应于CFO和CD的（3 1 1）和（1 0 0）晶面，证实了CDs-CFO-5复合材料的成功合成。图3(c)中的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和相应的元素映射图像显示，C、Co、Fe和O元素在复合材料中均匀分布。

图3  在不同体系中的(a) AMX降解曲线和(b) 降解率（催化剂用量=15 mg，AMX浓度=10 mg·L⁻¹，PMS浓度=0.2 mol·L⁻²，初始pH~7）

如图所示，图3探究了在可见光照射下基于过氧硫酸盐（PMS）活化的阿莫西林（AMX）的光催化降解，以评估所制备材料的协同催化效果。空白实验表明，AMX在可见光照射下难以自发降解。在没有可见光的情况下，CFO的降解活性可以忽略不计，而CDs-CFO-5降解效率略有提高，但仍然可以忽略不计。当引入PMS时，CFO对AMX的降解率可以在80 min内达到50%，这可能归因于Co和Fe离子对PMS活化的极大促进。类似地，CDs-CFO-5活化的PMS对AMX的光催化降解效率在黑暗中达到60%，这可能是由于CD和CFO的协同作用。当可见光和PMS共存时，CDs-CFO-5的降解效率在80 min内达到97.5%，表明CD可以结合CFO产生的光诱导电子进一步激活PMS，实现高效的光催化降解效率。同时，也可以表明光和PMS在CD-CFD复合系统中AMX的降解中起重要作用。

图4  基于PMS活化的CDs-CFO PMS系统光催化降解AMX机制

在可见光照射下，CFO可以被激发以产生电子-空穴对。此外，由于CD优异的电子传导性，电子（e⁻）从CFO的CB转移到CD并累积，这有效地促进了CFO的光生电子-空穴对的分离。同时，累积的e⁻被Fe³⁺捕获以生成Fe²⁺。同时，Fe³⁺可以与OH⁻形成自由基·OH。然而，CFO的VB电位没有跨越自由基·OH的反应电位（2.4 eV vs. NHE），因此CFO不能直接生成自由基·OH。PMS的添加可以被激活以产生更多·OH和SO₄⁻·。特定活性物质的生成步骤如下：一方面，Co²⁺可以激活PMS生成和Co³⁺，然后部分和H₂O生成自由基·OH。同时，Co³⁺可以氧化PMS生成和Co²⁺，从而实现Co²⁺的循环。类似地，Fe³⁺激活PMS以产生Fe²⁺，然后Fe²⁺进一步激活PMS以生成Fe³⁺。另一方面，PMS可以从CD-CFO中捕获光诱导的e⁻，并被直接激活以生成SO₄⁻·，或与h⁺反应以生成SO₅⁻·并进一步生成SO₄⁻·。此外，SO₄⁻·与H₂O和OH⁻相互作用生成自由基·OH。通过这种方式，由于CD和CFO之间的协同作用，更多的电子被转移以参与反应，这促进了光生载流子的有效分离，并加速了AMX的降解过程。

第一作者：施伟龙，华中科技大学博士，郑州大学博士后，现任江苏科技大学副教授，硕士生导师，中国感光学会光催化专业委员会会员，江苏省复合材料学会会员，江苏省环境科学学会会员，江苏省材料学会会员。主要从事碳基（碳点、氮化碳）复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能（降解、分解水制氢及防腐）等方面的研究工作。相关工作发表在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., J. Mater. Chem. B., Appl. Surf. Sci., J. Alloy Compd.等高水平杂志。截止目前，共计以第一作者或通讯作者发表90篇SCI收录论文，其中一区SCI论文42篇（影响因子≥10的17篇），二区论文26篇，ESI高被引论文30篇，ESI热点论文12篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，H-index 46。荣获国际复合材料“最佳研究者”奖，受理发明专利2项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2022）, 现主持国家自然科学基金青年、江苏省“双创博士”、“科技副总”人才项目、河南省博士后科研项目启动资助、河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金、江苏省产学研项目、校级深蓝杰出人才等10余项。此外，担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalyst》审稿编辑以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际Top期刊审稿人。 

通讯作者：郭峰，博士，现任江苏科技大学副教授，硕士生导师，中国感光学会光催化专业委员会会员，江苏省环境科学学会会员, 新加坡维泽专家库（VE）材料科学专家委员会会员。长安大学市政工程专业博士毕业，获工学博士学位。主要从事g-C3N4基复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目，江苏省青年基金项目，江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师人才项目，校级深蓝杰出人才项目, 河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金，江苏省产学研项目等10余项。近年来，共计以第一作者或通讯作者发表88篇SCI收录论文，其中一区SCI论文42篇（影响因子≥10的 15篇），二区论文18篇，ESI高被引论文26篇，ESI热点论文5篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，荣获国际学术奖“最佳研究者”奖，H-index 44，国家授权发明专利3项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2022）、江苏省“科技副总”、镇江市“出彩教育人”、校“优秀教师”、本创“优秀指导教师”、省级竞赛“优秀指导教师”等称号，相关工作发表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平杂志。此外，担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主编以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际期刊审稿人。 

通讯作者：林雪，女，江苏大学博士，江苏大学博士后，现北华大学教授、硕士生导师。主要从事水污染防治、清洁能源等方面的科研工作。2020年入选吉林省引进人才“18条”政策D类省级领军人才。2016年入选江苏省第五期“333高层次人才培养工程”中青年学术技术带头人。2020年入选吉林市第十批有突出贡献的中青年拔尖人才。近年来以第一作者或通讯作者发表SCI收录论文70篇，总他引次数2286次，H因子31。其中，以第一作者或第一通讯作者发表论文共计10篇入选ESI高被引论文，单篇引用次数过100次的论文4篇。主持完成国家自然科学基金项目1项，中国博士后科学基金项目1项，吉林省科技厅项目1项，江苏省科技厅项目1项，吉林省教育厅项目2项。主持在研吉林省自然科学基金面上项目1项，吉林市杰出青年培育计划项目1项。参与完成国家自然科学基金项目2项。获吉林省自然科学奖二等奖2项。主编教材1部。第一发明人获授权国家发明专利5项。担任《Journal of Hazardous Materials》、《Chemical Engineering Journal》、《ACS Applied Materials and Interfaces》等二十余个国际期刊审稿人。