随着近年来社会和经济的快速发展，环境问题与经济发展之间的矛盾日益凸显。水污染是需要特别关注的环境问题之一。硝基苯（NB）是精细化学品中的重要中间体，广泛应用于炸药、制药和染料等行业。然而，由于其固有的高化学稳定性、高毒性和难降解性，它在水环境中持续存在，对生态安全和人类健康构成严重且可能不可逆的威胁[1]、[2]。因此，它被明确列为需要控制的污染物[3]、[4]。开发一种高效、环保且可持续的硝基苯降解方法迫在眉睫。
尽管已经应用了物理、化学和生物降解方法来去除硝基苯，但其实际应用受到有毒中间体、高成本、苛刻条件和复杂程序的限制[5]、[6]、[7]、[8]。光催化是一种低能耗、环保且可持续的废水处理方法[9]。传统的光催化剂如TiO₂和ZnO存在可见光响应弱、带隙宽、颗粒团聚和酸碱稳定性差等局限性[10]、[11]、[12]。例如，Yu[12]报道，掺氮的TiO₂在可见光下4小时内仅能降解54.77%的硝基苯。通过形貌控制、物种掺杂和异质结策略优化的g-C₃N₄在降解塑料和抗生素方面显示出巨大潜力[13]、[14]。然而，g-C₃N₄基光催化剂对可见光的利用率低和氧化还原能力弱，需要额外的氧化剂如H₂O₂、过硫酸盐（PS, S₂O₈²⁻）和过一硫酸盐（PMS, HSO₅⁻）[15]、[16]，这对其综合性能和氧化还原能力提出了更高要求。
表面工程和能带工程被认为是能够有效提升整体性能的方法。表面工程已被证明可以有效增加活性位点的数量并减少载流子的复合[17]、[18]。将g-C₃N₄构建为薄层结构可以增强载流子转移过程[19]。然而，这种结构引起的量子限制效应可能会缩小光吸收范围，并容易导致颗粒团聚[20]。混合前驱体热聚合策略具有独特优势：它可以在有效减轻尺寸效应对光吸收影响的同时引入薄层结构[14]、[19]。例如，涉及尿素-硫氰酸[21]、三聚氰胺-氰尿酸[22]和尿素-硫脲[23]的共聚过程会生成NH₃和CO₂等气体，从而得到具有高比表面积和丰富活性位点的g-C₃N₄[24]、[25]。非贵金属掺杂是缩小带隙以增强可见光吸收的有效方法之一[26]、[27]。值得注意的是，带隙缩小通常伴随着价带（VB）电位的移动，这可能会降低氧化性能，从而产生“性能悖论”[28]、[29]、[30]。如图1[31]所示，大多数催化剂的VB电位低于+1.99 eV，这阻碍了水氧化生成·OH的过程，从而限制了其在废水处理中的应用。虽然用K⁺和Co²⁺掺杂可以满足从OH⁻生成·OH的前提条件，但它们激活O₂的能力仍然受限。此外，特定的碱金属离子（如K⁺和Na⁺）在反应过程中存在迁移和浸出的风险，导致催化活性下降[32]。为了追求高性能而加载大量金属的光催化剂在经济效益和环境影响方面也存在劣势[16]、[33]。总之，单一改性策略在同时实现活性位点、载流子传输和能带调控方面面临挑战。
本文采用表面能带工程策略成功合成了光催化剂Fe₀.₀₁₀/LCDs-TCN。首先，通过混合前驱体的共聚优化了g-C₃N₄的结构，并引入了碳点（CDs）进行表面基团修饰。随后，将微量Fe掺入能带结构中，从而实现了对催化剂载流子传输、光吸收和氧化还原能力的平衡控制。本研究的目标基于：（i）基于表征结果，提出了Fe₀.₀₁₀/LCDs-TCN的活性位点、载流子分离、可见光吸收和氧化还原能力增强机制；（ii）探讨了光催化剂用量、光源波长、分子氧水平、pH值和共存离子对Fe₀.₀₁₀/LCDs-TCN活性及硝基苯降解性能的影响，并评估了该系统的适用性和合理性；（iii）基于关键活性物种和中间体提出了硝基苯光催化的途径；（iv）监测中间体的积累和降解过程，并基于定量结构-活性关系（QSAR）评估了硝基苯光催化的实际应用潜力。本研究提出了一种新的思路，通过协同调控g-C₃N₄来实现高效、绿色和可持续的硝基苯类难降解污染物的光降解。
