作为典型的水体微污染物，抗生素因其可诱导产生抗性基因等特殊的生态效应而备受关注。特别是饮用水中抗生素的检出更警示:为保证用水安全，高效彻底地去除水中含有的微量抗生素势在必行。光催化氧化技术可以基于催化剂在光照条件下产生的强氧化性活性物种氧化降解水中的抗生素等有机污染物。该技术具有高效彻底、选择性强、无二次污染等优点，在水处理中应用广泛。为了提高催化氧化效率和选择性，研究者们不断尝试设计新的催化剂和催化体系。但由于缺乏催化机理的深入了解，设计过程主要基于不断尝试，使得设计效率低、成本高。因而，有必要系统深入地研究并揭示光催化氧化机制，以提高催化体系的设计效率。
　　本研究选取成本低廉、应用广泛的碳氮(CN)纳米材料复合单过硫酸盐(PMS)催化体系(g-C3N4-PMS)，以水环境中检出频繁的诺氟沙星(NOR)为目标化合物，采用量子化学计算方法模拟该光催化体系产生的·OH和SO4·-氧化降解游离态NOR和g-C3N4吸附态NOR的过程，揭示NOR的光催化氧化机制。主要研究内容及结果如下:
　　(1)基于密度泛函理论(DFT)，模拟了·OH和SO4·-氧化降解中性水环境中的两性离子形态诺氟沙星的过程，计算结果表明:·OH可以摘取NOR哌嗪环上的H原子、氟喹诺酮环上的F原子和羧基，生成羟基化产物，其中脱羧的羟基化过程最容易发生，其次是哌嗪环氧化和脱F反应。在脱羧反应过程中，电子通过分子间电荷转移从·OH的O原子转移到NOR的喹诺酮环，最终脱羧后形成以喹诺酮环为中心的负离子自由基产物。脱F反应中，电荷同样从·OH的O原子转移到NOR的喹诺酮环，生成F-和以喹诺酮环为中心的自由基羟基化产物。哌嗪环氧化反应中，·OH首先摘取H原子形成水分子和以C20为中心的自由基，进一步通过双自由基反应最终生成哌嗪环羟基化产物。SO4·-同样可以摘取NOR哌嗪环上的H原子和氟喹诺酮环上的羧基生成硫酸化产物，脱羧反应更容易发生。NOR的SO4·-反应过程与相应的·OH反应过程类似，哌嗪环摘H后生成的C20自由基即可与水环境中的·OH和SO4·-发生双自由基反应生成羟基化和硫酸化产物，也可能与水分子反应生成羟基化产物。
　　(2)基于正则系宗蒙特卡洛(GCMC)和DFT方法，构建NOR-g-C3N4吸附体系，模拟吸附于g-C3N4表面的NOR的主要光催化氧化反应，计算结果表明:NOR与g-C3N4的吸附相互作用能为负值，NOR可以自发吸附于g-C3N4表面，主要吸附机制为范德华力、静电相互作用和氢键的共同作用。最优NOR-g-C3N4吸附体系构型中，NOR哌嗪环上的H与g-C3N4中的N原子形成氢键。·OH同样可以与吸附态NOR发生脱羧的羟基化反应，反应过程类似，生成的羟基化产物中羟基的H原子同样可以与g-C3N4中的N原子形成氢键，这说明g-C3N4吸附对NOR的脱羧羟基化过程影响较小，这主要是因为羧基没有与g-C3N4表面发生直接相互作用，且离相互作用区域较远。吸附态NOR的SO4·-反应的哌嗪环氧化过程同样与游离态类似，但吸附改变了NOR哌嗪环上H原子的电荷分布，进而促进了其与SO4·-的摘H反应。
　　(3)采用Fenton法比较了吸附前后NOR的·OH氧化降解速率。实验结果表明，Fenton法对NOR的氧化降解效果良好，而加入g-C3N4后可以使NOR的氧化降解效果显著增大，证明g-C3N4吸附促进了NOR的氧化降解，该结果与量子化学计算结果一致。
　　本研究通过理论计算方法系统模拟了g-C3N4-PMS光催化体系中·OH和SO4·-氧化降解游离态和g-C3N4吸附态NOR的过程，系统全面地揭示了该体系的光催化氧化降解机制，发现自由基氧化同时作用于游离态和吸附态NOR，吸附会显著影响吸附相互作用区域反应位点的氧化反应，并通过实验进一步验证吸附的影响。该研究结果可为抗生素的光催化降解研究和相关光催化降解体系的设计优化提供理论依据。