碳布负载TiO2纳米线光催化降解水中氧氟沙星：H2O2添加与基底吸附性的协同增强机制

本研究针对水体中抗生素污染治理难题，开发了一种在碳布上生长TiO2纳米线阵列的新型光催化剂（CC/NW-450°C），通过基底吸附富集与光催化降解的协同作用，实现了高浓度氧氟沙星（OFL，50-200 ppm）的高效去除（6小时降解90-97%），并揭示了H2O2添加剂通过调控羟基自由基（•OH）生成的双重作用机制，为实际废水处理提供了新材料设计策略。

　　

随着抗生素在医疗、畜牧和水产养殖中的广泛使用，水体中的药物污染已成为严峻的环境问题。氧氟沙星（Ofloxacin, OFL）作为一种常见氟喹诺酮类抗生素，因其代谢不完全且通过尿液大量排泄，在地表水中的浓度可达0.05至17.7 μg/L，不仅威胁水生生物安全，还可能破坏生态系统平衡。传统的水处理技术如吸附、膜分离和生物法对OFL等抗生素的去除效果有限，因此迫切需要开发高效的高级氧化工艺。二氧化钛（TiO₂）光催化技术因其强氧化能力和环境友好性而被广泛研究，但纯TiO₂存在光生电子-空穴对复合快、对目标污染物吸附能力弱等瓶颈，制约了其实际应用效率。

为解决这些问题，研究人员尝试将TiO₂与多孔吸附材料（如活性炭、石墨烯等）结合，以增强污染物富集能力和光催化效率。然而，粉末状催化剂存在易团聚、难回收等问题。碳布作为一种柔性导电基底，不仅能提供高比表面积和吸附位点，还便于催化剂的分离和重复使用。本研究通过在碳布上原位生长TiO₂纳米线阵列，构建了一种兼具高吸附性和高光活性的复合薄膜，并系统探究了H₂O₂添加剂对降解过程的调控作用，为高效处理高浓度抗生素废水提供了新思路。相关成果发表于《Beilstein Journal of Nanotechnology》。

本研究主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   通过Ti–H₂O₂溶液反应在碳布上沉淀氢钛酸盐纳米线，再经450°C煅烧转化为锐钛矿型TiO₂纳米线阵列（CC/NW-450°C），厚度约1.5 μm；
2. 2.
   使用场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）和低温氮吸附-脱附等技术对材料形貌、晶体结构、表面组成和孔结构进行表征；
3. 3.
   以氧氟沙星（OFL）为模型污染物，在紫外光照射下评估光催化降解性能，并通过自由基捕获实验和光电化学测试揭示反应机制；
4. 4.
   使用超高效液相色谱（HPLC）和总有机碳分析仪（TOC）定量降解效率和矿化程度。

微观结构与形貌特征

通过FESEM和TEM观察发现，TiO₂纳米线均匀覆盖在碳纤维表面，形成网状结构，纳米线呈准定向排列。HRTEM显示清晰的晶格条纹，间距0.35 nm，对应锐钛矿TiO₂的（101）晶面。选区电子衍射（SAED）证实材料以锐钛矿为主，含少量板钛矿相。XRD和Raman分析进一步验证了锐钛矿晶体结构，且碳布经煅烧后表面无序度增加（I_D/I_G比值升高），有利于污染物吸附。

光催化降解OFL性能与材料耐久性

CC/NW-450°C对50–200 ppm高浓度OFL均表现出优异降解能力，6小时内去除率达90–97%，且反应速率常数随OFL浓度升高而降低（0.169 h^?1至0.103 h^?1）。TOC分析表明，200 ppm OFL溶液经12小时处理后可实现85%矿化。循环实验显示，催化剂在6次重复使用后仍保持90%以上效率，SEM和XRD证实其结构稳定性良好。

过氧化氢添加剂的影响

H₂O₂的添加对降解效率具有浓度依赖性：低浓度（<5 mM）时因清除羟基自由基（•OH）而抑制反应；超过临界浓度后，H₂O₂作为电子受体促进•OH生成，显著提升降解速率。光电化学测试表明，H₂O₂浓度增加可增强光电流响应，因其有效分离电荷并生成活性氧物种（ROS）。自由基捕获实验证实，空穴（h⁺）是主要活性物种，•OH起次要作用。

高吸附性基底的协同效应

接触角测试显示，CC/NW-450°C具有超亲水性（0°），而原始碳布为疏水性（138.9°），表明纳米线修饰极大增强了基底润湿性和吸附能力。对比实验表明，碳负载TiO₂纳米线的光催化效率显著高于钛箔负载的同类材料（Ti/NW-450°C）和商用P25纳米颗粒，这归因于碳布的高吸附性富集污染物、导电性促进电子分离以及纤维结构防止纳米线团聚的协同效应。

结论与意义

本研究成功开发了一种碳布负载TiO₂纳米线阵列的高效光催化剂，通过基底吸附与光催化的协同作用，实现了对高浓度OFL的高效降解和矿化。H₂O₂添加剂在临界浓度以上可通过促进•OH生成进一步提升反应效率，而空穴主导的氧化路径是降解过程的主要机制。该催化剂具有良好的稳定性和重复使用性，适用于实际废水处理。研究不仅为抗生素污染控制提供了新材料设计策略，也深化了对吸附-光催化协同机制及H₂O₂在高级氧化过程中双重作用的理解，具有重要的环境应用价值。