异质结SiO2/MoO3电纺纳米纤维的电子驱动光催化降解亚甲基蓝染料：合成、表征与应用

《Journal of Water Process Engineering》：Heterogeneous electron-driven photocatalytic degradation of methylene blue dye using heterojunction SiO 2/MoO 3 electrospun nanofibers: Synthesis, characterizations and application

本研究针对工业废水中难降解有机染料污染问题，首次采用静电纺丝技术制备了具有优化能带结构的SiO2/MoO3异质结纳米纤维。通过系统表征证实材料具备增强的结构稳定性，在紫外-可见光协同照射下15分钟内实现99.9%的亚甲基蓝降解率，遵循伪二级动力学模型（k=0.15 g·mg-1·min-1）。该催化剂经历5次循环后仍保持94%活性，为高效废水处理提供了新型解决方案。

　　

随着工业化进程加速，印染废水中的有机染料污染已成为严峻的环境挑战。其中，亚甲基蓝（MB）作为典型的噻嗪类染料，不仅对水生生物具有抑制作用，更可能通过生物累积效应对人类健康造成威胁。传统物理化学处理方法存在成本高、效率低且易产生二次污染等局限，而半导体光催化技术因其在环境条件下即可高效降解污染物的特性，被视为最具潜力的绿色解决方案。

然而，常用金属氧化物光催化剂如TiO₂、ZnO等面临光生电子-空穴对易复合、光腐蚀严重以及循环稳定性差等核心难题。三氧化钼（MoO₃）虽具有2.78 eV的适宜带隙宽度和优异吸附性能，但其纳米颗粒在水相介质中易溶解失活。为此，巴基斯坦COMSATS大学伊斯兰堡分校研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表论文，创新性地将MoO₃与二氧化硅（SiO₂）基质复合，通过静电纺丝技术构建一维异质结纳米纤维，实现了光催化性能的突破性提升。

研究团队采用多尺度表征与性能测试相结合的技术路线：通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电子显微镜（SEM）观测形貌特征，X射线光电子能谱（XPS）测定表面化学状态，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）计算能带结构，电化学阻抗谱（EIS）评估电荷传输性能，并结合热重-差示扫描量热法（TGA-DSC）考察热稳定性。光催化实验系统考察了pH值、光照时间、活性物种等关键参数的影响机制。

3.1 X射线衍射分析

XRD图谱显示SiO₂/MoO₃纳米纤维同时具备SiO₂（JCPDS 04-0379）和α-MoO₃（JCPDS 00-047-1320）的特征衍射峰，莫氏公式计算MoO₃平均晶粒尺寸为19 nm，证实成功构建异质结结构。

3.2 傅里叶变换红外光谱

FTIR谱图中1065.6 cm^-1处的Si-O-Si非对称伸缩振动峰与991.7 cm^-1处Mo=O特征峰共存，使用前后谱图高度一致，表明材料具有优异的化学稳定性。

3.4 扫描电子显微镜

SEM显示SiO₂/MoO₃纳米纤维平均直径为462±58 nm，表面粗糙度增加源于MoO₃纳米颗粒的嵌入，这种结构有利于提供更多活性位点。

3.5 能带结构研究

Tauc作图法测得SiO₂、MoO₃和复合材料的带隙分别为3.54 eV、2.94 eV和3.0 eV，能带计算表明复合后形成Z型异质结，促进电荷分离。

3.7 XPS分析

高分辨率Mo 3d谱显示Mo⁶⁺（237.15 eV）与Mo⁵⁺（236.63 eV）共存，混合价态占比分别为95.95%和4.05%，这种价态变化有助于增强表面反应活性。

3.8 阻抗谱分析

Nyquist图中SiO₂/MoO₃纳米纤维呈现最小半圆弧半径，结合交流导电率测试，证实异质结界面显著提升载流子迁移率，降低复合概率。

3.9-3.13 光催化性能研究

在pH=9条件下，复合材料15分钟内实现99.9%的MB降解，较单一组分效率提升显著。捕获实验表明羟基自由基（OH^•）为主导活性物种，空穴（h⁺）和超氧自由基（O₂^-•）起辅助作用。ANOVA分析证实光照时间（p<0.001）为最显著影响因素。

3.14 循环稳定性

经过5次循环实验，SiO₂/MoO₃纳米纤维仍保持94%的降解效率，显著优于MoO₃纳米颗粒（70%）和SiO₂纳米纤维（80%），证明SiO₂基质有效抑制了MoO₃的光腐蚀。

3.15 动力学模拟

伪二级动力学模型最佳拟合（R²=0.99），速率常数达0.15 g·mg^-1·min^-1，表明降解过程以化学吸附为主导机制。

本研究通过精准的能带工程设计，成功构建了Z型电荷转移机制的SiO₂/MoO₃异质结光催化剂。该材料不仅解决了单一MoO₃稳定性差的瓶颈问题，更通过静电纺丝技术赋予其高比表面积和连续电子传输路径。研究首次系统揭示了SiO₂基质在促进MoO₃分散、抑制光腐蚀、增强界面电荷分离等方面的多重作用机制，为设计高效稳定的纳米纤维光催化剂提供了新范式。该技术有望应用于工业废水连续处理系统，为实现绿色可持续的水污染治理开辟了新途径。