通过独特地利用低能量的720纳米光来触发光热催化效应，使BiO?成为一种具有颠覆性多功能性的平台

《Journal of Environmental Sciences》：Enabling BiO 2-x as a paradigm-shifting multifunctional platform by uniquely harnessing low-energy 720?nm light triggering photothermal-catalytic effect

氧空位BiO???材料在720 nm近红外光激发下，通过光热协同效应实现微生物、抗生素及耐药基因的高效降解（5.5-log），热催化促进氧空位激活和自由基生成，材料兼具低成本、高稳定性及生物相容性，拓展环境与医疗应用。

　　

Nannan He|Yiting Qin|Songwei Li|Mengqiang Tian|Bingli Wang|Hongliang Wang|Guifen Zhu

河南省科学技术研究院博士后研究基地，新乡453003，中国

摘要

为了解决这一问题，我们设计了一种由低能量720纳米光激活的氧化铋（BiO_2-x）中的氧空位（OVs）体系。该平台能够将两种染料和13种抗生素的降解程度降低5.5个对数单位，降解效率达到92%-98%；同时将11种抗生素抗性基因的降解程度降低4.3-10.8个对数单位，降解效果取决于基因的具体结构。进一步的多模分析表明，这种降解作用是通过严重的氧化应激和代谢功能障碍介导的细菌凋亡实现的。这种优异的性能展示了该720纳米光驱动的BiO_2-x平台对相关物质的高度敏感性。其高活性源于空位介导的光热催化协同效应，该效应产生了用于氧化还原反应的“热电子”，并且显著的光热效应（ΔT≈58°C）加速了降解过程。本质上，BiO_2-x在45-65°C的温度范围内表现出显著的热催化活性，这得益于晶格氧的激活。对富含氧空位的模型进行的密度泛函理论计算显示，其电子结构具有优异的电子转移能力、费米能级处连续的态密度以及升高的Bi-p带。BiO_2-x还展现了良好的稳定性、生物相容性，并具有跨领域应用潜力（例如牙齿美白）。因此，BiO_2-x是一个可扩展且多功能的环境和生物医学应用催化平台。

引言

潜在有害微污染物的存在以及日益严格的环境法规要求开发高效、可持续的水处理方法（Liu等人，2024a）。光催化因此因其降解染料、抗生素及抗生素抗性基因（ARGs）的能力而受到关注（Liu等人，2024a；Zhou等人，2024）。然而，其实际应用受到对紫外线和可见光依赖性的限制。通过使用近红外（NIR）光来引发光热效应，研究人员开发出了一种显著提升光催化水处理效果和潜力的策略（Li等人，2025a；Liu等人，2024b；Xu等人，2025）。值得注意的是，720纳米波长在光催化中具有战略优势，它既能提供足够的光子能量，又能避免带隙驱动的光催化过程中的干扰（Han等人，2022；Pandey等人，2024）。研究人员将第一个生物窗口（NIR-I）定义为700–1000纳米范围，其中700纳米以上的光通常被视为NIR范围的实际应用阈值（Han等人，2022；Zhou等人，2022）。这些优势使得720纳米光成为推动多种实际应用的新标杆。

近期的突破加速了特定NIR激活光催化系统的发展，包括等离子体纳米颗粒（Au纳米棒）、上转换杂化物（NaYF₄:Yb³⁺/Tm³⁺+TiO₂）和基于MXenes的催化剂（Liang等人，2025；Li等人，2022；Nepal等人，2013；Wen等人，2020）。不幸的是，Au纳米棒的高成本限制了其大规模应用；MXenes中使用的有毒蚀剂的安全隐患也是大规模应用的重大挑战（Liang等人，2025）。镧系元素的高成本及其复杂的多步骤合成过程（例如水热法）也阻碍了其可扩展性（Li等人，2022）。最近，通过有目的地在半导体光催化剂中引入氧空位（OVs）成为实现高效强NIR驱动光热转换的强大策略（Meng等人，2025）。这种创新方法将光催化产生的活性氧（ROS）与光热效应结合起来，形成了一个多功能平台，以应对环境和生物医学领域中的多种挑战（Li等人，2022）。

有趣的是，等离子体BiO_2-x利用高载流子迁移率和氧空位，成为一种极具多功能性的环境修复材料（Li等人，2025b；Luo等人，2024）。另一个优势是铋的成本较低且相对丰富，这与其他等离子体系统中使用的金或镧系元素形成鲜明对比。BiO_2-x的合成过程通常较为简单，无需高压或有毒试剂，也不需要像MXenes和某些上转换杂化物那样的复杂多步骤工艺（Luo等人，2024）。此外，BiO_2-x在水环境中不会像MXenes那样发生氧化和降解问题。这种卓越的功能性源于其双模式催化架构，它将光子利用与热效应相结合（Liu等人，2024c；Wang等人，2024）。与传统基于铋的催化剂（如Bi₂O₃、BiOI、BiVO₄）不同，BiO_2-x在NIR光照下表现出内在的强光热转换能力，能有效产生热量以加速反应动力学。同时，氧空位介导的热催化进一步促进了晶格氧的激活，并通过热能输入促进了活性氧的生成（Luo等人，2023，2024）。这种双功能协同作用使BiO_2-x成为一种不受光照类型影响的720纳米光驱动平台。

在这里，我们开发了BiO_2-x，这是一种由低能量720纳米光激活的双光热催化平台。该平台对微生物、抗生素抗性基因（尤其是）和有机物具有广谱杀菌效果。这种多功能性源于空位介导的机制，该机制通过产生“热电子”来生成活性氧，与显著的光热效应和内在的热催化作用协同作用。其低细胞毒性、良好的生物相容性和在牙齿美白方面的有效性突显了其作为高效解决方案的实际应用潜力。

BiO_2-x的合成

BiO_2-x采用水热法合成（Luo等人，2024）。具体步骤如下：将4 mmol的NaBiO₃·2H₂O分散在70 mL的1 mol/L NaOH溶液中，持续搅拌1小时。然后将悬浮液转移到一个100 mL的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在180°C下加热16小时。冷却后，通过离心收集产物，用去离子水和乙醇彻底清洗，并在80°C下真空干燥4小时。

发酵液中抗生素抗性基因的检测

样品采集与准备：发酵液

BiO_2-x的特性分析

图1a中，BiO_2-x的XRD图谱显示了28.2°、32.7°、46.9°、55.6°和58.3°的特征衍射峰，这与标准立方相（PDF#4-1057）一致（Li等人，2018）。FTIR光谱（图1b）在528 cm^-1和588 cm^-1处显示出尖锐峰，这些峰对应于Bi-O键的伸缩振动（Huang等人，2021）。拉曼光谱在120、310、476和608 cm^-1处显示出明显的特征峰，分别对应于Bi、Bi-O、Bi-O-Bi和O原子（Huang等人，

结论

总之，本研究证实了BiO_2-x是一种多功能、低能耗的平台，它利用720纳米光触发协同的光热催化过程。BiO_2-x能够将多种微生物失活5.5个对数单位，降解两种染料和13种抗生素，效率达到92%-98%；同时将11种抗生素抗性基因的降解程度降低4.3-10.8个对数单位，其中的抗性基因尤为敏感。这种性能基于一种独特的空位介导机制，即NIR光诱导产生的“热电子”

未引用的参考文献

(Pandey等人，2025；Zhou等人，2020)

CRediT作者贡献声明

Nannan He：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源获取，形式分析，概念构思。 Yiting Qin：撰写 – 原稿，实验研究，形式分析。 Songwei Li：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，验证，监督，形式分析，数据管理。 Mengqiang Tian：撰写 – 原稿，数据可视化，实验研究，形式分析，数据管理。 Bingli Wang：撰写 – 原稿，数据可视化，形式分析，数据管理。 Hongliang Wang：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了河南省重点研发项目（项目编号241111111700）和河南省高校重点科研计划（项目编号24A610005）的支持。