高被引科学家丨张长：金纳米颗粒改性的甲酸氧铋可见光催化剂在抗生素降解和二氧化碳还原方面的研究
学者名片
张长，教授，博士生导师，无党派人士，政协长沙市第十三届委员会委员；科睿唯安全球“高被引科学家”。
研究成果介绍
【背景介绍】
随着社会的高速发展，环境恶化和能源短缺是目前横在人类可持续发展道路上的两座大山。就环境恶化而言，越来越多的新兴污染物进入到环境中，抗生素就是其中一类。环境中抗生素的存在可能会导致抗性基因的产生，这将会对人类疾病的防治带来严重的后果。由于抗生素的生物抑制作用，传统的活性污泥法并不能有效的去除抗生素；而化学处理技术又可能带来二次污染。光催化技术作为一种“绿色”的技术，由于其经济、潜在二次污染可能性小等优势而备受关注。光催化剂作为光催化技术的核心，是这一绿色技术发展的关键。传统的二氧化钛由于其宽的禁带，使得其只能响应紫外光。但是太阳光谱中紫外光大约只占4.5%。为了充分的利用太阳光谱，各种响应可见光（大约占太阳光谱的45%）的光催化剂被研发。近年来，铋系光催化备受关注。其独特的层状结构有利于光生载流子的分离，从而导致高的量子效率。甲酸氧铋（BiOCOOH）作为一种铋系光催化剂，其组成元素不含有毒有害的卤素和硫等，逐渐得到研究者的注意。但由于其宽的带隙，导致其不能响应可见光。目前对其的改性主要集中在铋系材料构建的异质结，处理的污染物也基本为染料。对于BiOCOOH基催化剂在处理抗生素和二氧化碳还原方面的探究报道不足。
【图文导读】
图1.BiOCOOH(a、b)和2.0%Au/BiOCOOH(c、d)的TEM图
从图1中可以明显看出典型的BiOCOOH纳米片状结构以及金纳米颗粒，金纳米颗粒负载在BiOCOOH纳米片上。
图2. 紫外可见吸收光谱
从图2中可以明显看出，纯的BiOCOOH对大于380 nm的光吸收很弱。但负载了金纳米颗粒的BiOCOOH对可见光的吸收明显增强，并在大约577 nm处出现了明显的等离子体共振吸收峰。
图3. Au/BiOCOOH在可见光下降解盐酸四环素(（a）和（b）分别为降解图和反应动力学)
从图3（a）中可以明显看出，负载金纳米颗粒的BiOCOOH的催化活性明显高于未负载金纳米颗粒的BiOCOOH，其中2.0%Au/BiOCOOH的催化活性最高，经过2小时的光照，对盐酸四环素的去除率有56.36%。图3（b）为盐酸四环素降解的动力学，其中2.0%Au/BiOCOOH的反应速率常数是纯BiOCOOH的13.5倍。
图4. Au/BiOCOOH在模拟太阳光下还原二氧化碳
由于BiOCOOH合适的能带位置，我们考察了Au/BiOCOOH还原二氧化碳的性能。从图4中可以看出，二氧化碳的还原产物为甲烷和一氧化碳。纯的BiOCOOH由于其催化活性较低，在前3个小时均未检测出甲烷。经过金纳米颗粒负载后，BiOCOOH催化活性大大提升，经过七个小时的光照，一氧化碳和甲烷的产量分别为0.0745999和0.0508726 µmol·g-1。
图5.光催化机理图
【总结】
本论文制备了一种可见光响应的光催化剂（Au/BiOCOOH），并用其降解盐酸四环素和还原二氧化碳。论文通过多种表征手段探究了盐酸四环素的降解过程及反应机理，对降解后溶液的生物毒性也做了相关探究。此外对二氧化碳还原也做了相关探究。但由于本论文使用了贵金属，不太经济。以后可以向非金属改性方向发展，由于BiOCOOH适合的能带结构，在能源方面的应用应该值得被关注。
人物介绍
工作教育经历
2001年毕业于济南大学环境工程专业，获得学士学位；2001年-2004年就读于湖南大学环境工程专业，获得硕士学位；2004年-2007年湖南大学环境工程专业，获得博士。
2007-至今，任湖南大学环境学院助理教授、副教授、教授、博导；2011-2012，Stanford大学土木与环境工程系，访问学者；2012－2015任湖南大学环境学院环境工程系系主任；2015-2017任湖南大学环境学院 院长助理；2017-至今，任湖南大学环境学院副院长（分管研究生、财务、国际交流与合作）
研究方向
主要从事污染物在环境介质以及环境过程中的行为、归趋与生态毒理方面的研究，并关注受污染环境介质的生物化学修复。
学术论著
在Journal of Materials Chemistry A，Environment International和Coordination Chemistry Reviews等国际一流期刊上发表论文20余篇。在 Web of Science中的出版物共有76篇，H指数45，总被引频次6500余次，2021年、2022年连续2年获得科睿唯安全球“高被引科学家”称号（环境与生态学领域）。
近期代表作
(1) Chi Ma, Zhigang Yu, Jingjing Wei, Chang Tan, Xu Yang, Tantan Wang, Guanlong Yu, Chang Zhang*, Xin Li*. Metal-free ultrathin C3N5 photocatalyst coupling sodium percarbonate for efficient sulfamethoxazole degradation. Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 319: 121951.
(2) Xu Yang, Zihao Li, Chi Ma, Zhongzhu Yang, Jingjing Wei, Tantan Wang, Xin Wen, Wenhao Chen, Xiaohong Shi, Yi Zhang*, Chang Zhang*. Microplastics influence on Hg methylation in diverse paddy soils. Journal of Hazardous Materials, 2022, 423(Part A): 126895.
(3) Chi Ma, Jingjing Wei, Kainian Jiang, Jiaqi Chen, Zhongzhu Yang, Xu Yang, Guanlong Yu, Chang Zhang*, Xin Li*. Typical layered structure bismuth-based photocatalysts for photocatalytic nitrogen oxides oxidation. Science of The Total Environment, 2022, 158644.
(4) Yiming Li, Zhongzhu Yang, Kaihua Yang, Jingjing Wei, Zihao Li, Chi Ma, Xu Yang, Tantan Wang, Guangming Zeng, Guanlong Yu, Zhigang Yu*, Chang Zhang*. Removal of chloride from water and wastewater: Removal mechanisms and recent trends. Science of The Total Environment, 2022, 821: 153174.
(5) Tanghuan Xie, Yanni Xi, Yanfen Liu, Huinian Liu, Zhu Su, Yicai Huang, Weihua Xu, Dongbo Wang, Chang Zhang*, Xin Li.* Long-term effects of Cu(II) on denitrification in hydrogen-based membrane biofilm reactor: Performance, extracellular polymeric substances and microbial communities. Science of The Total Environment, 2022, 830, 15: 154526.
(6) Chen Yang, Zhongzhu Yang, Kaihua Yang, Zhigang Yu, Yize Zuo, Longjie Cheng, Yibo Wang, Hui Sun, Guanlong Yu, Chang Zhang*, Xin Li*. Periodate activated by different crystalline phases MnO2 for profound oxidation tetracycline hydrochloride: Oxygen vacancy-dominated active pivots and mechanism. Separation and Purification Technology, 2022, 301: 122022.
(7) Guangmei Xu, Chi Ma, Jingjing Wei, Xu Yang, Tantan Wang, Chang Tan, Kaihua Yang, Guanlong Yu, Chang Zhang*, Xin Li*. Enhanced photocatalytic activity of 3D hierarchical RP/BP/BiOCOOH via oxygen vacancies and double heterojunctions. Chemosphere, 2022, 300: 134485.
(8) Yanfen Liu, Yanni Xi, Tanghuan Xie, Huinian Liu, Zhu Su, Yicai Huang, Weihua Xu, Dongbo Wang, Chang Zhang*, Xin Li*. Enhanced removal of diclofenac via coupling Pd catalytic and microbial processes in a H2-based membrane biofilm reactor: Performance, mechanism and biofilm microbial ecology. Chemosphere, 2022, 307, Part 1: 135597.
(9) Kexin Song, Chang Zhang*, Yi Zhang*, Guanlong Yu, Mingjuan Zhang, Yuanyuan Zhang, Lu Qiao, Mengsi Liu, Nian Yin, Yue Zhao, Yani Tao. Efficient tetracycline degradation under visible light irradiation using CuBi2O4/ZnFe2O4 type II heterojunction photocatalyst based on two spinel oxides. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2022, 433: 114122.
(10) Chi Ma, Jingjing Wei, Kainian Jiang, Zhongzhu Yang, Xu Yang, Kaihua Yang, Yi Zhang*, Chang Zhang*. Self-assembled micro-flowers of ultrathin Au/BiOCOOH nanosheets photocatalytic degradation of tetracycline hydrochloride and reduction of CO2. Chemosphere, 2021, 283: 131228-131237.
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