水污染问题是目前全球关注的热点。其中，有机污染物与重金属离子的复合污染对水环境和人体健康造成了极大危害，受到广泛关注。双酚A（BPA）和六价铬（Cr(VI)）作为典型的有机物和金属离子，常共存于工业废水中，所形成的复合污染呈现出更大的稳定性和生物毒性。相比于单一污染物，因为不同污染物去除机制差异，很难实现同步有效处理。因此，亟需开发出一种高效绿色可持续的方法来实现废水中BPA与Cr(VI)的同步去除。

同济大学化学科学与工程学院长聘副教授张亚男长期致力于水环境污染物的高效去除相关研究，研究团队近期采用界面工程和缺陷工程的双重修饰策略，设计了一种兼具氧空位（Ov）和“双异质结”协同效应的Co₃O_4-Ov/TiO₂光电极材料，并通过光电催化（PEC）耦合过氧单硫酸盐（PMS），构建Co₃O_4-Ov/TiO₂-PEC/PMS协同体系，实现了对BPA和Cr(VI)的高效同步去除，相关研究成果以“Interface and Defect Engineering in 3D Co₃O_4-Ov/TiO₂ to Boost Simultaneous Removal of BPA and Cr(VI) upon Photoelectrocatalytic/Peroxymonosulfate (PEC/PMS) System”为题发表于国际知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials)。

SEM和TEM表征结果显示：Co₃O_4-Ov/TiO₂光电极材料的基底结构是由Ti网上原位生长的一维有序TiO₂纳米棒和二维纳米锥构成。同时，零维的Co₃O₄纳米颗粒均匀分布在3D TiO₂结构上，其无序的晶格和模糊的边界均表明存在氧空位。

XPS 结果进一步表明了 Co₃O₄ 中富含氧空位，作为电子供体掺杂剂可以促进载流子的转移和分离。差分电荷密度计算和开尔文探针力显微镜（KPFM）技术清晰地阐明了Co₃O₄和TiO₂之间的电荷转移机制。当 p型半导体Co₃O₄和n型半导体TiO₂ 在黑暗中接触时，由于TiO₂ 较低的费米能级和功函数，电子（e^-）会从 TiO₂ 转移到 Co₃O₄，直至两者的费米能级达到平衡。这一过程中，界面处的电荷重新分布，在TiO₂ 和Co₃O₄ 之间形成内建电场，阻止了 TiO₂ 中e^-的持续转移。同时，TiO₂ 的能带边缘向上弯曲，而Co₃O₄的能带边缘则向下弯曲。在光照条件下，光生电子通过 p-n 异质结转移到 TiO₂，而空穴（h⁺）则转移到Co₃O₄，从而实现了高效的电荷分离。此外，TiO₂中的电子会通过（{111}/{101} /{110}）晶面异质结进一步转移至基底，并迅速到达阴极。综上所述，Co₃O_4-Ov/TiO₂材料表现出优异的光电化学性能，归因于氧空位和双异质结（“p-n结/晶面结”）的协同作用。

XPS表征表明Co₃O_4-Ov/TiO₂中Co³⁺/Co²⁺氧化还原循环能够加速PMS的活化。DFT计算进一步详细揭示了光电极与PMS分子之间的相互作用机制。偏态密度（PDOS）分析表明，PMS与Co₃O_4-Ov/TiO₂之间的键合更为稳定，这意味着Co₃O_4-Ov/TiO₂对PMS具有更强的化学吸附能力。此外，通过计算吉布斯自由能（ΔG），对PMS的整体活化过程进行了热力学分析，结果表明引入Co₃O₄显著提升了PMS的活化效率。

将Co₃O_4-Ov/TiO₂-PEC/PMS系统应用于模拟废水中BPA和Cr(VI)的同步去除，仅在15 min内对BPA和Cr(VI)的去除率分别达到96.2%和 99.1%，进一步在实际废水体系中同样表现出优异的去除效果，证实具有良好的实际应用前景。这项工作为水环境中复合污染物的高效同步去除提供了重要的思路。

张亚男副教授为论文通讯作者，化学科学与工程学院硕士研究生胡钰和金宇舟为共同第一作者。化学科学与工程学院高级工程师李明芳为该研究工作提供了帮助。上述研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、中央高校基本科研业务费基金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414350