利用新型溶胶-凝胶法制备的TiO?涂层层状石墨（EG@TiO?）对糠醛的强化光催化降解

《Journal of the Indian Chemical Society》：Enhanced Photocatalytic Degradation of Furfural Using TiO 2-Coated Layered Electrographite (EG@TiO 2) Synthesized via a Novel Sol-Gel Method

TiO?涂層電化石墨纳米复合材料合成及其降解糠醛光催化性能研究。采用新型溶胶-凝胶法成功制备EG@TiO?纳米复合材料，表征显示其具有高比表面积和均匀涂层结构。在300 mg/L糠醛溶液中，EG@TiO?经240分钟光催化反应降解率达95%以上，循环4次后活性损失<5%。相较于未涂层石墨，该材料展现出显著增强的光催化活性与稳定性。该成果为工业废水处理中高效可重复使用光催化剂的开发提供了新思路。

　　这项研究聚焦于一种创新的溶胶-凝胶法，用于合成钛酸四异丙酯（TTIP）涂层的层状电石墨（EG@TiO?）纳米复合材料，并评估其在降解炼油厂废水中呋喃醛污染物方面的光催化效率。随着全球水污染问题日益严峻，特别是工业废水对环境造成的威胁，开发高效、可持续的水污染治理技术成为当务之急。工业废水，尤其是来自石油炼制过程的废水，常常含有高浓度的有毒、持久且难以降解的有机污染物，其中呋喃醛作为一种重要的污染物，因其对生态系统的潜在危害和环境持久性而备受关注。该研究通过采用先进的合成方法和表征手段，探索了EG@TiO?在处理此类污染物方面的潜力，为工业废水的治理提供了新的思路。

研究首先对EG@TiO?的结构和形貌进行了系统的表征，采用了多种分析技术，包括能量色散X射线光谱（EDX）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）、比表面积分析（BET）以及拉曼光谱（Raman）。这些技术能够全面揭示材料的化学组成、微观结构、晶体特性及表面性质，从而为后续的性能评估奠定基础。研究结果显示，EG@TiO?纳米复合材料在优化条件下展现出显著的光催化活性，能够在300 mg/L的呋喃醛浓度下实现超过95%的降解效率。此外，通过连续四次循环实验，研究确认了该材料具有良好的可重复使用性，其效率损失低于5%，表明其在实际应用中的稳定性与可持续性。

光催化技术作为绿色水处理方法的代表，近年来受到广泛关注。该技术利用光能驱动化学反应，将有机污染物转化为无害的产物，如二氧化碳和水。钛酸四异丙酯（TiO?）因其优异的化学稳定性、非毒性以及在紫外光照射下的高催化活性，成为研究最多的光催化剂之一。然而，TiO?在实际应用中仍面临一些挑战，如其较宽的禁带宽度限制了其对可见光的响应能力，从而降低了对太阳光的利用率。此外，TiO?中的光生电子和空穴容易快速复合，导致其量子效率下降，影响整体的催化性能。同时，TiO?对某些有机污染物的吸附能力有限，这在处理复杂的废水体系时可能成为瓶颈。

为了解决上述问题，研究者们尝试了多种策略，包括对TiO?进行金属或非金属掺杂以拓宽其光响应范围，将TiO?与其他半导体材料结合形成异质结以改善电荷分离效率，以及将TiO?负载在具有高吸附能力和稳定性的材料上，以提升其整体性能。其中，碳基材料因其高比表面积、良好的导电性以及化学惰性而成为理想的载体。在这些材料中，电石墨因其独特的结构和性质，成为一种极具潜力的支撑材料。电石墨是一种通过电热处理石油焦或煤焦油沥青制备的石墨形式，具有较高的比表面积、良好的导电性以及优良的机械强度，这使其成为TiO?纳米颗粒的理想基底。其导电性有助于光生电子的转移，从而减少电子与空穴的复合率，而其多孔结构则能增强污染物的吸附能力，提高目标分子在光催化降解过程中的可及性。

研究的重点在于开发一种新的溶胶-凝胶法，以实现电石墨表面的TiO?纳米颗粒的均匀沉积。传统的合成方法，如物理混合、浸渍或水热法，往往导致TiO?纳米颗粒在支撑材料表面的分布不均，容易发生聚集，从而降低其活性位点的暴露程度。此外，这些方法可能无法在TiO?和支撑材料之间建立强的界面相互作用，这在光催化过程中对于电子转移效率和材料的长期稳定性至关重要。因此，研究采用了一种新型的溶胶-凝胶法，该方法能够通过形成稳定的胶体悬浮液（溶）和凝胶网络（凝），实现TiO?纳米颗粒的原位生长，确保其在电石墨表面的均匀分布和牢固结合。这种方法不仅减少了纳米颗粒的聚集，还最大限度地暴露了TiO?的活性位点，从而提高了纳米复合材料的催化效率和稳定性。

为了进一步验证EG@TiO?在实际废水处理中的应用潜力，研究对比了其与未涂层电石墨和纯石墨的降解效率。实验结果显示，EG@TiO?在处理50 mg/L和100 mg/L浓度的呋喃醛盐溶液时，分别达到了99.5%和98.18%的降解效率，显著高于未涂层电石墨的47.08%和24.36%。这一结果充分说明了TiO?涂层对电石墨光催化性能的显著提升，也验证了新型溶胶-凝胶法在合成高效光催化材料方面的有效性。此外，通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、比表面积分析（BET）以及拉曼光谱（Raman）等技术，研究对EG@TiO?的结构和形貌进行了深入分析，以揭示其光催化性能与材料特性之间的关系。这些分析结果不仅有助于理解材料的性能提升机制，也为今后设计更高效的光催化材料提供了理论依据。

该研究的成果表明，EG@TiO?纳米复合材料在降解炼油厂废水中的呋喃醛污染物方面具有显著优势。其高催化活性和良好的可重复使用性，使其成为一种极具应用前景的光催化剂。此外，该材料的稳定性和环境友好性也符合当前可持续发展的要求。研究还指出，未来的工作应聚焦于该技术的规模化应用，以推动其在实际工业废水处理中的推广。同时，进一步优化合成条件和材料结构，可能有助于提升其对其他污染物的降解能力，扩大其在水污染治理中的应用范围。

在研究过程中，团队成员各司其职，共同推动了该项目的顺利进行。其中，Reza Jalilzadeh Yengejeh负责验证实验、监督研究进展、设计实验方法、进行实验分析和概念设计；Sima Sabzalipour负责数据可视化和概念设计；Maryam Mohammadi Rouzbahani负责验证实验和项目管理；Sahand Jorfi负责监督研究、设计实验方法、进行数据分析和数据管理；Nima Nemati则负责撰写论文、审阅和修改，以及实验方法的设计、实验分析和数据管理。团队的协作和努力为该研究的顺利完成提供了坚实保障。

研究还强调了该工作的意义，即通过开发高效的光催化材料，为工业废水的治理提供可行的解决方案。这不仅有助于减少水污染，还能够促进环境友好型技术的发展，为全球环境保护目标做出贡献。此外，该研究为未来的材料设计和工艺优化提供了新的思路，有助于推动光催化技术在实际应用中的进一步发展。通过不断探索和创新，科学家们正在努力寻找更加环保、高效和经济的水污染治理方法，以应对日益严峻的环境挑战。

综上所述，该研究通过采用新型的溶胶-凝胶法，成功合成了一种具有优异光催化性能的EG@TiO?纳米复合材料，并验证了其在处理呋喃醛污染废水中的有效性。研究不仅揭示了材料结构与性能之间的关系，还为今后开发更高效的光催化材料提供了理论依据和实践指导。同时，该研究也展示了光催化技术在环境治理中的广阔前景，为解决工业废水污染问题提供了新的技术路径。未来，随着研究的深入和技术的进步，这种材料有望在更广泛的水处理领域中得到应用，为实现可持续的水资源管理贡献力量。