基于半导体材料的光催化技术是解决环境污染问题的有效方式之一。然而，光催化反应中光生电子与空穴容易发生复合的缺陷在一定程度上抑制了它对环境污染物的降解。为提高光催化降解污染物的效果，可以将它与其它氧化反应进行联用，例如，添加环境友好型氧化剂H2O2。此外，对光催化材料进行表面修饰，有利于进一步加快光生电子向H2O2迁移，进而提高H2O2的有效利用率和污染物的降解效果。前人研究宣称，在光催化与H2O2联用体系中引入含铁的催化材料，将额外产生芬顿反应，使其催化活性进一步增强。对于光催化与芬顿联用体系中的催化机理，虽然已有学者提出了多种假设，但鉴于该体系的复杂性，需要给出更多更有利的证据来进一步确证，并阐明这种联用所带来的益处。另外，高效、低价催化材料的制备对于该联用体系进一步实现工业化应用有重要意义。
作为一种典型的纳米矿物，水铁矿（Ferrihydrite，Fh）广泛存在于地表环境中，有粒径小（约2-4 nm）、比表面积大（约200-350 m2/g）和表面活性羟基位点多等优点。水铁矿的制备方法简单，通过三价铁离子的快速水解即可得到。前人研究指出，Fh是一种优良的异相芬顿催化材料，其催化分解H2O2的能力优于针铁矿（Goethite）和赤铁矿（Hematite）。根据以上研究报道可以预测，当同时施加紫外辐射和H2O2时，利用Fh对TiO2的表面修饰，有望通过光催化与芬顿反应之间的协同效应高效降解污染物。
中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室的博士生蒋琪在朱润良研究员指导下构建了基于Fh/TiO2复合材料的光催化与芬顿联用体系，探明了该联用体系高效降解抗生素头孢噻肟的催化机理。与光催化和芬顿反应单独作用相比，UV+Fh/TiO2+H2O2联用体系对H2O2的分解效率和·OH的生成量都有显著提高。固体催化材料里检出的高浓度Fe(II)有利地证明了Fh/TiO2中的Fh能捕获TiO2产生的光生电子。该联用体系的催化机理（图1）可简述为：TiO2光催化反应产生的光生电子被Fh捕获，通过Fe(III)/Fe(II)循环光生电子被持续地传递给H2O2，在有效抑制光生电子与空穴复合的同时，促进H2O2有效分解产生更多·OH，最终实现对头孢噻肟的高效降解。当实际应用时该联用体系具有以下优势：在头孢噻肟降解中的催化活性高，催化材料的制备方法简单、成本低且稳定性良好，以及当H2O2被完全消耗后仍然可以继续降解头孢噻肟。
该研究得到国家自然科学基金面上项目（项目编号，41872044）支持，研究成果论文已发表在期刊Journal of Chemical Technology and Biotechnology上。
论文信息：Qi Jiang, Runliang Zhu, Yanping Zhu, Qingze Chen*. Efficient degradation of cefotaxime by a UV+ferrihydrite/TiO2+H2O2 process: the important role of ferrihydrite in transferring photo-generated electrons from TiO2 to H2O2 [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. DOI 10.1002/jctb.6041
图1. UV+Fh/TiO2+H2O2体系在降解头孢噻肟中的催化反应机理图