隨著工業領域的飛速發展,各種污染物的排放量已遠遠超過自然生態系統的自凈能力(Periyasamy, 2025)。特別是抗生素的過度使用和濫用加劇了抗生素污染,對全球生態和健康構成了嚴重威脅(Chan et al., 2023, Chen et al., 2023b, Theerthagiri et al., 2021, Tian et al., 2022)。作為最大的抗生素生產國之一,中國每年生產約1200噸抗生素,占全球總量的30%(Castro et al., 2024)。其中,莫西沙星(MOX)具有顯著的光化學穩定性,在自然光下的半衰期為21–30天。其水解和生物降解速率也遠低于傳統有機化合物,導致其在水環境中持續積累(Imran Kanjal et al., 2022)。
為了解決抗生素污染問題,人們開發了多種水處理技術,包括吸附、光催化和微波輔助工藝。吸附技術因其簡單性和低能耗而具有吸引力;然而,其有限的吸附容量、再生需求以及在復雜水環境中的選擇性差限制了其長期應用(Fang et al., 2022, Huang et al., 2026)。光催化可以將抗生素直接礦化為CO2和H2O,但傳統光催化劑通常存在可見光利用率低、電子-空穴復合快以及礦化不完全的問題,可能會產生有毒中間體(Chen et al., 2023a, Dong et al., 2025, Kumaravel et al., 2019, Lu et al., 2025)。微波輔助催化可以加速反應動力學,但仍受設備成本高、協同機制不明確和可擴展性有限的限制(Xu et al., 2025, Yang et al., 2025)。因此,開發高效、穩健且環境友好的高級氧化工藝仍然是一個關鍵挑戰。
光Fenton工藝作為一種典型的先進氧化工藝(AOP),已成為降解難降解有機污染物的極具前景的技術。該工藝依靠光催化材料激活H2O2并生成具有強氧化能力的活性氧(ROS)(Domingues et al., 2022, Mahmoudi et al., 2022, Tan et al., 2023)。H2O2因其低成本、高反應性和環境友好性而常被用作綠色氧化劑(Li et al., 2022, Yue et al., 2023)。然而,大多數光催化劑仍存在光生載流子快速復合和適應復雜環境能力有限的問題,限制了其大規模應用潛力。
金屬鐵酸鹽鈣鈦礦(MFeO3,M = 稀土或堿土金屬),作為典型的ABO3型氧化物,在光Fenton系統中受到了廣泛關注,因為它們對可見光有響應,結構穩定,且具有Fe3+/Fe2+氧化還原特性(Fornero et al., 2021)。原則上,Fe3+/Fe2+氧化還原對是H2O2激活的活性中心,而A位金屬物種則調節晶格畸變、電子結構和表面電荷分布,從而影響界面電荷轉移和污染物吸附(Balta and Bilgin Simsek, 2022, John et al., 2023, Li et al., 2025, Yang et al., 2025)。然而,盡管A位陽離子的結構作用已被認可,但它們對Fe氧化還原循環和光Fenton動力學的貢獻卻很少被明確研究,且在大多數研究中鈣鈦礦晶格被視為化學惰性支架。這種簡化阻礙了對MFeO3基光Fenton催化中結構-活性關系的深入理解。
氮化硼量子點(BNQDs)因其量子限制效應、化學穩定性和無金屬特性而被廣泛引入光催化系統作為電子媒介組分(Gong et al., 2022, Li et al., 2023, Liu et al., 2009)。它們的超小尺寸和豐富的表面位點促進了界面相互作用和電荷調節,使其成為光Fenton催化劑的有希望的改性劑(Yan et al., 2023)。因此,將BNQDs與MFeO3鈣鈦礦結合被提出用于提高電荷分離和ROS生成(Munshi et al., 2021, Wang et al., 2024a, Wu et al., 2024)。然而,現有的MFeO3@BNQDs系統仍面臨幾個未解決的問題:(i)A位陽離子對BNQDs修飾下Fe3+/Fe2+循環的影響尚不清楚;(ii)BNQDs的負載量通常是基于經驗優化的,缺乏對電子捕獲和光利用之間權衡的機制理解;(iii)提出的協同機制主要是定性的,與實驗觀察到的電荷轉移和ROS演變行為缺乏關聯。
為了解決這些挑戰,選擇LaFeO3(LFO)作為具有明確正交結構和穩定Fe–O框架的代表性A位調控鈣鈦礦模型,以便系統研究晶格-電子-ROS耦合效應。通過將BNQDs與LFO結合,本研究旨在建立明確的結構-活性-機制關系,將BNQDs負載量與界面電荷轉移、Fe3+/Fe2+氧化還原循環和ROS生成聯系起來。合成了一系列LFO@BNQDs復合材料,并對其進行了系統的可見光驅動光Fenton降解MOX性能評估。結合材料表征、動力學分析、電子順磁共振(EPR)光譜、自由基淬滅實驗、降解路徑鑒定和毒性評估,提供了對LFO@BNQDs光Fenton系統的全面機制理解和環境評估。