《Journal of Hazardous Materials》：Multicomponent 2D Quasicrystals as Robust Photocatalysts for Antibiotic Degradation: Mechanistic Insights via In Situ TEM and Atomistic Simulations
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二維鋁鐵鈷鎳銅準晶作為高效可見光驅動型光催化劑，對磺胺甲噁唑和四環素具有94%和89%的2小時內降解效率，并展現出優異循環穩定性及環境友好特性，其降解機理通過原位液相透射電鏡和計算模擬驗證，且處理后的水樣對綠豆種子萌發及根系生長無毒性影響。
扎胡爾·曼祖爾（Zahoor Manzoor）|沙米克·喬杜里（Shamik Chowdhury）|吉列爾梅·達席爾瓦·洛佩斯·法布里斯（Guilherme da Silva Lopes Fabris）|布魯諾·伊帕維斯（Bruno Ipaves）|道格拉斯·S·加爾萬（Douglas S. Galv?o）|錢德拉·塞卡爾·蒂瓦里（Chandra Sekhar Tiwary）
印度理工學院卡拉格普爾分校環境科學與工程學院，西孟加拉邦721302，印度
摘要
抗生素（如磺胺甲噁唑（SMX）和四環素（TC）對水生環境的持續污染對環境安全和公共衛生構成了嚴重威脅。本研究報道了一種基于鋁的多組分合金，以二維準晶體（2D QCs）的形式，作為高效且可重復使用的光催化劑，用于在可見光驅動下降解SMX和TC。在2小時的照射時間內，2D QCs對SMX的降解效率約為94%，對TC的降解效率約為89%。在不同操作條件下系統地研究了其光催化性能，包括pH值、催化劑用量、初始污染物濃度以及常見無機離子的存在。該催化劑表現出優異的穩定性，在多次重復使用后仍保持高活性，并且金屬浸出量極少。值得注意的是，在實際水樣中（包括自來水、池塘水和市政廢水）也保持了顯著的降解效率，這突顯了該系統的環境相關性。原位液相透射電子顯微鏡直接實時觀察到了在QC表面發生的分子降解過程。補充的密度泛函緊束縛模擬顯示了抗生素的強吸附作用和分子斷裂，證實了實驗觀察結果。此外，使用Vigna radiata進行的植物毒性評估證實，處理后的出水是無毒的，其種子發芽率和根系生長與對照組相當。總體而言，這些結果展示了2D QCs作為從復雜水系統中去除抗生素的強大且環保的光催化劑的潛力，解決了日益嚴重的全球性問題。
引言
來自各種市政和工業源的廢水無控制排放是一個緊迫的環境問題。這主要是由于其中存在多種污染物，其中藥物活性化合物（PhACs）尤其值得關注。PhACs包括止痛藥、抗生素、精神藥物、激素、抗病毒藥物和抗癌藥物，它們可以通過多種途徑輕易進入水生環境，并已被廣泛記錄為對生態系統和人類健康構成重大風險[1]。由于設計上的局限性，傳統的污水處理廠在去除工業和市政廢水中的PhACs方面效果不佳，因此需要開發先進的治療策略。在這方面，異質光催化因其多種顯著優勢而成為了一個重要的研究領域，包括操作簡便、污染物近乎完全礦化、可擴展性和成本效益等[2]，[3]。迄今為止，大量研究集中在基于半導體的光催化劑上，包括金屬氧化物[4]、硫化物[5]、碳氮化物[6]、石墨烯[6]和其他二維（2D）材料[7]，[8]，這些材料得益于厚度依賴的電子性質、改進的光吸收能力和高表面積。然而，這些材料通常存在固有的局限性，如寬帶隙、可見光利用率低、電子-空穴復合快以及長期穩定性差，這些因素阻礙了它們的實際應用[9]。
與半導體相比，金屬準晶體（QCs），即具有長程有序的非周期性多組分材料，在光催化領域受到的關注相對較少。現有的關于QC材料的研究主要集中在它們在熱反應和化學反應中的催化性能上，利用了它們獨特的電子結構、組成復雜性和高熱穩定性[10]，[11]，[12]，[13]。直接探索QC材料作為光驅動光催化劑的研究非常有限，關于用于可見光光催化的低維2D QCs的報告尤其稀少。因此，QC的光催化潛力，特別是在環境應用中，仍然很大程度上未被探索。2D QCs在這方面尤其引人注目，因為它們結合了2D材料的優勢與準晶結構的固有特性，包括化學異質的多組分表面、密集的電子態和協同的元素相互作用。最近關于多組分QC衍生催化劑的研究表明，由于組成復雜性和豐富的活性位點，它們的催化活性得到了增強[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。例如，我們最近使用2D AlFeCoNiCu QCs通過射頻誘導催化成功去除了水中的磺胺甲噁唑（SMX），突顯了它們的強催化活性和結構穩定性[19]。因此，2D QCs可能代表了一類根本不同且尚未充分探索的光催化劑。
鑒于上述情況，本研究探討了2D AlFeCoNiCu QCs作為可見光驅動光催化劑，用于降解廣泛使用的廣譜抗生素（即SMX和四環素（TC）的應用。從射頻誘導催化到可見光下的光催化的轉變，強調了2D QCs的功能多樣性及其作為多功能催化劑在緩解新興水生污染物方面的潛力。特別關注了實際考慮因素，包括pH值、催化劑用量和共存離子的影響，以及催化劑的重復使用性、在實際水樣中的性能和降解副產品的毒性。此外，還使用了液相透射電子顯微鏡（TEM）直接實時觀察QC與抗生素分子之間的動態相互作用。補充的計算模擬闡明了潛在的相互作用機制。總體而言，這些發現加深了對QC介導的光催化過程的理解，并有助于開發高效且環保的光催化劑，以應用于先進的廢水處理。
材料
從Alfa Aesar購買了高純度的金屬芯片：鋁（99.5%）、鈷（99.9%）、鎳（99.5%）、鐵（99.9%）和銅（99.5%）。四環素（TC）（C22H24N2O8，98?102%）、磺胺甲噁唑（SMX）（C10H11N3O3S）、異丙醇（IPA）（C3H8O，≥99.5%）、碘化鉀（KI，≥99%）、疊氮化鈉（NaN3，≥99.5%）和抗壞血酸（AA）（C6H8O6，≥99%）從Sigma Aldrich購買。所有化學品均按原樣使用。所有實驗均使用去離子（DI）水。
AlFeCoNiCu 2D QCs的合成
bulk
形態和晶體學性質
使用AFM觀察了制備的2D QCs的表面形貌。通過Lorentz和lognormal統計分析，發現2D QCs的平均厚度和橫向長度分別為6.8納米和242.5納米（圖1a,b）。FESEM圖像（圖1c）顯示，剝離后的2D QCs呈片狀。2D QCs的明場TEM圖像（圖1d）顯示了剝離后形成的薄片。逆快速傅里葉變換（FFT）圖像（圖1e）結論
在本研究中，通過電弧熔化后液相剝離法合成了2D AlFeCoNiCu QCs，并證明了它們作為高效可見光驅動光催化劑在降解SMX和TC方面的能力。高光催化活性歸因于QC的固有特性，包括增強的電子傳輸、化學異質的多組分表面和豐富的活性位點。自由基清除和EPR分析確定1O2和●O2?是主要的活性氧
環境影響
水體中的抗生素殘留物會導致生態毒性并促進抗菌素耐藥性的傳播，這需要超越傳統廢水處理方法的治療策略。本研究強調了二維多組分準晶體作為一種強大的、由可見光驅動的解決方案，能夠在復雜水樣中降解持久存在的抗生素，而不會產生二次毒性。它們的可重復使用性、極低的金屬浸出量以及在實際水中的有效性使它們成為CRediT作者貢獻聲明
錢德拉·塞卡爾·蒂瓦里（Chandra Sekhar Tiwary）：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、監督、資源管理、項目管理、資金獲取、概念構思。沙米克·喬杜里（Shamik Chowdhury）：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、監督、資源管理、項目管理、資金獲取、概念構思。扎胡爾·曼祖爾（Zahoor Manzoor）：撰寫 – 原稿撰寫、方法學設計、實驗研究、數據分析、數據整理、概念構思。布魯諾·伊帕維斯（Bruno Ipaves）：軟件開發、方法學設計。吉列爾梅·達席爾瓦·洛佩斯·法布里斯（Guilherme da Silva Lopes Fabris）：軟件開發利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。致謝
Z.M.感謝印度理工學院卡拉格普爾分校對其博士研究的財政支持。C.S.T.感謝原子能部青年科學家研究獎、亞洲航空航天研究與發展辦公室（授權號FA2386-21-1-4014）、海軍研究委員會以及印度政府科技部的先進材料與技術及能源與水技術項目（TMD部門）的資助。
