Al-Ce共掺杂BaTiO3纳米纤维压电增强光催化降解有机污染物的机制与应用研究

本研究通过水热法合成Al-Ce共掺杂BaTiO3纳米纤维（AlCe-BTO NFs），结合压电催化与光催化协同作用，在超声-可见光联合作用下120分钟内对氧氟沙星的降解率达97.9%。该材料通过元素掺杂（Al/Ce）调控能带结构，利用BaTiO3压电效应促进载流子分离，为水净化提供了新型压电光催化（Piezo-photocatalytic）解决方案。

　　

研究亮点

本研究首次探索了Al和Ce共掺杂对BaTiO₃压电光催化性能的协同效应。通过合成四种压电光催化剂——BaTiO₃（BTO）、Al掺杂BaTiO₃（Al-BTO）、Ce掺杂BaTiO₃（Ce-BTO）和Al-Ce共掺杂BaTiO₃（AlCe-BTO），并采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见漫反射光谱（DRS）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、高分辨透射电镜（HRTEM）和元素点映射等综合表征手段，系统分析了材料的结构与化学性质。通过压电光催化协同效应的深入研究，证明AlCe-BTO的性能优于传统光催化剂如TiO₂。研究还系统评估了超声功率、催化剂浓度、氧氟沙星浓度和溶液pH等关键操作参数对降解过程的影响，并通过清除剂实验和中间体鉴定揭示了氧氟沙星的压电光催化降解机制。此外，通过连续降解循环实验验证了AlCe-BTO的稳定性和可重复使用性，证实其作为一种高效稳定光催化剂的潜力。

材料与方法

实验所用八水合氢氧化钡（>98%）、二氧化钛（99.9%）、氢氧化钠（≥98%）、氢氧化铝（98%）、硝酸铈（III）（99.99%）、叔丁醇（≥99.5%）、1,4-苯醌（99%）、乙醇（96%）、N,O-双(三甲基硅基)乙酰胺、过硫酸钠（≥99%）购自Sigma Aldrich（美国）。异丁醇（99.5%）、乙醚（99%）、乙二胺四乙酸（≥99%）和硝酸银（≥99%）购自Merck（德国）。以氧氟沙星作为有机污染物模型化合物。

结构与形态表征

为评估BTO纳米纤维样品的晶体结构，采用配备Cu-Kα辐射（1.5406 ?）的X射线衍射（XRD）技术。图1（a）中的XRD图谱显示原始BTO在2θ值为68.8°、57.1°、52.1°、47.4°、38.4°、32.3°、25.8°和23.0°处的主峰与PDF卡片号05-0626相符，分别对应（202）、（211）、（210）、（002）、（111）、（110）、（101）和（100）晶面。对于掺杂样品，XRD图谱显示晶格参数发生变化，表明Al和Ce成功掺入BTO晶格。

结论

通过两步水热法成功制备了BTO、Al-BTO、Ce-BTO和AlCe-BTO纳米纤维（NFs）。采用XRD、拉曼光谱、FT-IR、HRTEM、TEM、EDX、XPS、SEM、元素点映射和DRS分析对制备的材料进行了表征。上述分析表明Al和Ce元素作为掺杂剂成功整合到BTO纳米纤维的晶格中。此外，合成的共掺杂BTO在超声和可见光联合作用下表现出高效的压电光催化性能，为环境修复应用提供了有前景的材料体系。