抗生素的大量滥用、频繁检出和特殊生态效应引起了公众对于水环境中抗生素含量的高度关注。如何高效彻底去除水中的微量抗生素成为研究热点。光催化技术因其去除效率高、降解彻底、工艺简便等特点被广泛应用于抗生素等有机污染物的水处理中。目前对于光催化技术的研究大多认为有机污染物的降解主要是由于光催化体系中产生的自由基氧化，但对于光催化剂本身的吸附催化效果关注较少。“光催化剂是否可以通过自身的吸附作用催化抗生素等有机污染物降解？催化机制如何？”是有待研究的重要科学问题，也是构建开发高效光催化剂、提高光催化效率的潜在方向。因而，本研究选取目前应用较多的碳氮(CN)纳米材料g-C3N4为模型光催化剂，采用量子化学计算的方法系统研究其与水中频繁检出的磺胺类抗生素—磺胺甲恶唑(SMX)的相互作用，模拟吸附前后SMX的直接光解过程，揭示g-C3N4光催化SMX直接光解的机制，同时基于直接光催化机理设计新型催化剂，主要研究内容及研究结果如下:
　　(1)采用正则系综蒙特卡洛(GCMC)和密度泛函理论(DFT)方法模拟SMX在g-C3N4表面的吸附。计算结果表明:中性水溶液中当SMX的苯环与g-C3N4表面呈现一定夹角近似平行时，吸附相互作用能最负(-8.25kcal/mol)，说明SMX能够很好的吸附在g-C3N4材料上，为之后的g-C3N4催化SMX直接光解提供了基础。SMX-g-C3N4吸附体系的结构分析发现:吸附后磺胺基团中N2--S键长增大，有利于后续直接光催化中N2-S键的断裂。原子电荷计算表明，吸附过程中发生了从SMX向g-C3N4的电荷转移。
　　(2)基于DFT方法模拟了中性水环境中游离态和g-C3N4吸附态SMX的直接光解过程。计算结果表明:游离态SMX的直接光解是一个原子重排的过程，有两步基元反应。首先磺胺基团中N-S键断裂，随后N进攻C脱去SO2。两步反应的活化自由能(△G(++))分别为5.45kcal/mol和16.66kcal/mol，说明重排脱SO2反应是控速步骤。原子电荷分析表明，反应中发生N原子向S原子的分子内电荷转移。对吸附态SMX直接光解控速步骤的模拟发现，吸附显著降低了该过程的△G(++)值(14.10kcal/mol)，说明g-C3N4可以通过吸附作用催化SMX的直接光降解。结构和电荷分析表明，g-C3N4吸附可以通过电荷转移活化SMX的直接光解位点(N-S键），进而促进降解反应的发生。
　　(3)基于直接光催化机理，设计新型Cu掺杂g-C3N4光催化剂。计算结果表明:Cu-g-C3N4材料的最优构型中，Cu原子位于g-C3N4的6N环中心，与2个N原子形成配位键。当SMX的磺胺基团中的2个O原子与Cu-g-C3N4中的Cu原子形成配位键时，吸附相互作用能更负(-36.31kcal/mol)，说明SMX更容易吸附在Cu-g-C3N4表面。对直接光解控速步骤的模拟表明，Cu-g-C3N4的直接光催化效果(13.08kcal/mol)优于g-C3N4，反应过程类似。Cu-g-C3N4材料通过Cu与SMX反应中心的O原子配位，进一步活化了N-S键。
　　综上，本研究通过理论计算方法模拟了g-C3N4光催化抗生素SMX直接光解的过程，证明光催化体系中催化剂的吸附作用也是光催化降解的重要机理之一。同时，本研究基于直接光催化机制设计的Cu-g-C3N4材料可以显著提高g-C3N4的光催化性能。本研究的结果可以很好地丰富光催化理论，为高效光催化剂的构建提供新方法和新思路。