制备TiO?/InVO?作为在可见光下有效降解利福平的光催化剂

《Chemosphere》：Fabrication of TiO 2/InVO 4 as an effective photocatalyst under visible light for degradation of rifampicin

TiO?/InVO?纳米复合材料通过芒果叶提取物绿色合成，显著提升可见光下利福平降解效率至97.18%，归因于带隙减小至2.70 eV及异质结协同效应，同时验证了活性物种（h?、•OH、•O??）的作用机制与材料稳定性。

　　在当前环境污染日益严重的背景下，寻找高效、环保的污染物处理方法成为科研领域的重要课题。特别是在水体污染方面，药物残留物成为亟需解决的问题之一。由于制药工业的快速发展和医疗废弃物的排放，大量药物及其代谢产物进入自然水体，对生态系统和人类健康构成严重威胁。为此，研究人员不断探索新型的降解技术，其中光催化降解因其非毒性、稳定性、成本低和高光活性等优点，受到广泛关注。

钛氧化物（TiO?）作为一种广泛应用的光催化剂，因其优异的物理化学性质，如高光活性、良好的化学稳定性、低成本以及丰富的自然资源，成为研究的重点。然而，TiO?在实际应用中仍存在一些挑战。例如，其较大的禁带宽度（约3.2 eV）使得它只能在紫外光下表现出显著的光催化活性，而无法有效利用可见光。此外，TiO?对疏水性污染物的吸附能力较弱，容易发生团聚现象，导致其在光催化过程中的分离和回收困难。这些局限性限制了TiO?在可见光范围内的应用，因此，对TiO?进行改性以提升其在可见光下的催化性能成为研究的关键方向。

为了解决上述问题，研究者们尝试通过掺杂、共沉淀、复合等方法对TiO?进行改性。其中，与其它金属氧化物复合形成异质结是一种有效的策略。InVO?作为一种二元金属氧化物，因其较低的禁带宽度（约2.0 eV）和良好的光催化性能，被广泛研究。通过将InVO?与TiO?结合，可以形成具有更小禁带宽度的异质结，从而增强材料在可见光下的光催化活性。此外，InVO?的引入还能改善TiO?的电子传输特性，提高其对污染物的降解效率。

在众多改性方法中，绿色合成技术因其环保、经济、简便等优势而备受青睐。植物提取物作为天然的还原剂和稳定剂，被广泛用于纳米材料的合成。芒果叶（*Mangifera indica* L.）作为一种常见的植物资源，其提取物中含有丰富的次生代谢产物，如黄酮类、酚类、单宁类和生物碱等。这些化合物不仅能够作为还原剂参与纳米材料的形成，还能在合成过程中起到稳定剂的作用，防止纳米颗粒的团聚和氧化。因此，利用芒果叶提取物作为前驱体，通过绿色合成方法制备TiO?/InVO?纳米复合材料，成为一种具有潜力的策略。

本研究采用绿色合成方法，利用芒果叶提取物作为还原剂和稳定剂，成功合成了TiO?/InVO?纳米复合材料。通过一系列表征手段，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见漫反射光谱（UV–Vis DRS）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、动态光散射（PSA）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM），对所制备的材料进行了详细分析。结果表明，该纳米复合材料具有较小的禁带宽度（2.70 eV），能够有效吸收可见光，从而提升其光催化活性。HRTEM图像进一步揭示了该材料的晶粒尺寸在55至80纳米之间，并且呈现出清晰的晶格条纹，证实了其晶体结构的形成。同时，图像还显示了TiO?与InVO?之间的异质结结构，为后续的光催化机制研究提供了直接证据。

为了评估该纳米复合材料的光催化性能，研究团队选择了 Rifampicin（利福平）作为目标污染物。Rifampicin 是一种广泛用于治疗结核病的抗生素，因其在水处理中的难降解性和对生态环境的潜在危害，成为研究的重点对象。通过紫外-可见分光光度计对 Rifampicin 的降解过程进行监测，结果表明 TiO?/InVO? 纳米复合材料在可见光照射下表现出显著的降解能力。在120分钟的反应时间内，Rifampicin 的降解效率达到了97.18%，远高于单独使用 TiO? 或 InVO? 时的降解效果。这一结果不仅验证了 TiO?/InVO? 异质结结构对光催化性能的提升作用，也表明该材料在实际应用中具有巨大的潜力。

为进一步揭示该纳米复合材料的光催化机制，研究团队进行了反应动力学分析，并通过自由基捕获实验确定了主要的活性物种。结果显示，该降解过程遵循伪一级反应动力学模型，且反应速率常数（k）为9.34 × 10?3，表明反应具有较高的效率。自由基捕获实验表明，空穴（h?）是该降解过程中的主要活性物种，其次是羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O??）。这些活性物种在光催化过程中起到关键作用，通过氧化还原反应将 Rifampicin 分解为无害的小分子物质。

除了优异的光催化性能，该纳米复合材料还表现出良好的稳定性和可重复使用性。在第五次连续循环后，其光催化活性仍保持在初始值的84.65%，表明该材料具有较高的耐久性和实用性。这一特性对于实际应用中的催化剂回收和再利用具有重要意义，不仅降低了成本，也减少了对环境的二次污染。

本研究的创新之处在于，首次利用芒果叶提取物作为绿色合成方法的前驱体，制备出 TiO?/InVO? 纳米复合材料，并成功应用于 Rifampicin 的降解。相较于传统的化学合成方法，该绿色合成方法不仅减少了有害化学品的使用，还避免了高温、高压等复杂的反应条件，提高了合成过程的可持续性。此外，该研究还为光催化材料的设计和优化提供了新的思路，特别是在提升可见光响应和增强催化活性方面。

从环境角度来看，Rifampicin 的广泛使用和难以降解的特性，使其成为水体污染的重要来源之一。通过高效的光催化降解技术，能够有效去除水体中的 Rifampicin，从而降低其对生态环境和人类健康的潜在威胁。本研究的结果表明，TiO?/InVO? 纳米复合材料不仅能够实现 Rifampicin 的高效降解，还能在实际应用中保持良好的稳定性，这为未来开发具有广泛应用前景的光催化材料奠定了基础。

在实际应用中，光催化技术可以用于水处理、空气净化、污染物降解等多个领域。TiO?/InVO? 纳米复合材料的开发，为解决药物污染问题提供了一种新的技术路径。特别是在水处理方面，该材料能够在可见光条件下高效降解 Rifampicin，而无需额外的紫外光源，这在实际工程应用中具有显著优势。此外，该材料的可重复使用性也使其在工业废水处理中具有更高的经济性和可行性。

随着对环境保护意识的提高，绿色化学和可持续技术的发展成为必然趋势。本研究采用的绿色合成方法不仅符合这一趋势，还展示了植物提取物在纳米材料合成中的重要价值。芒果叶作为一种常见的植物资源，其提取物的使用不仅降低了合成成本，还减少了对环境的负担。因此，该方法具有较高的推广价值和应用前景。

综上所述，本研究通过绿色合成方法成功制备了 TiO?/InVO? 纳米复合材料，并验证了其在 Rifampicin 降解中的优异性能。该材料的制备过程简单、环保，且具有良好的光催化活性和稳定性，为解决药物污染问题提供了一种新的解决方案。未来，该研究可以进一步拓展至其他药物污染物的降解，探索其在更广泛环境治理领域的应用潜力。同时，研究团队也可以深入探讨该材料的表面化学性质、电子结构以及反应机制，以期在光催化材料的设计和优化方面取得更多突破。