ZSM-5负载粉煤灰-TiO2-Cu杂化复合材料在可见-太阳光下增强吸附和光催化降解结晶紫的研究

本综述系统探讨了ZSM-5沸石改性粉煤灰-TiO2-Cu（ZFT-Cu1）杂化复合材料的构建及其在可见光/太阳光下对结晶紫（Crystal Violet, CV）染料的高效去除。研究通过UV-VIS DRS、FE-SEM、XRD等表征证实，ZSM-5的引入显著提升材料结晶度、可见光吸收及吸附能力，其中3wt% ZSM-5负载的3ZFT-Cu1复合材料在可见光下实现98%的CV降解率（Qe=27 mg/g），并展现优异稳定性（5次循环后效率保持84%）。该工作为开发低成本、高活性染料废水处理材料提供了新策略。

　　

Highlight

可见光照射下的光催化效能

如图11所示，采用配备截止滤光片（波长>360 nm）的50瓦LED灯，评估了不同ZSM-5负载量（1、3和5 wt%）的ZFT-Cu₁复合材料在可见光下对结晶紫（CV）染料的光催化降解效果。图11(a)展示了3ZFT-Cu₁复合材料在589 nm处CV染料（5 ppm）随光照时间（60-240分钟）的紫外-可见吸收光谱变化，直观显示染料浓度显著下降。3ZFT-Cu₁复合材料表现出最优性能，在180分钟内实现98%的CV去除率，归因于ZSM-5的孔隙结构有效富集染料分子，并与Cu-TiO₂协同增强光生电荷分离。

太阳光下的光催化降解

在自然阳光下（2025年5月20日，印度帕蒂亚拉，光强620 W/m2，温度34-38°C），ZFT-Cu₁复合材料对CV的降解性能进一步验证。3ZFT-Cu₁在180分钟内达到95%的降解率（Q_e=20.24 mg/g），证实其在实际环境中的适用性。太阳光谱中的可见光成分有效激发复合材料，且ZSM-5的吸附作用延缓了染料解吸，提升降解效率。

活性物种检测

通过自由基捕获实验（图13(a)）探究3ZFT-Cu₁降解CV的主要活性物种。未添加清除剂时降解率达98%；加入空穴（h?）清除剂EDTA后，效率骤降至19%，表明空穴是主导物种；而超氧自由基（•O??）清除剂BQ和羟基自由基（•OH）清除剂IPA分别使效率降至35%和58%，证实多种活性物种共同参与降解过程。

光催化降解机制推测

如Scheme 1所示，ZFT-Cu₁复合材料的光催化机制涉及吸附-光活化协同路径：ZSM-5的孔隙结构吸附CV分子，可见光激发Cu-TiO₂产生电子-空穴对，Cu2?作为电子陷阱抑制复合，空穴直接氧化染料或通过生成•OH等自由基实现彻底降解。

催化剂可重用性与光稳定性

3ZFT-Cu₁在5次循环实验后仍保持84%的降解效率，表明其良好的结构稳定性和可重复使用性。每次循环后通过离心回收催化剂，简单清洗即可再次投入应用，凸显其实际废水处理的潜力。

与已报道光催化剂的对比讨论

如表4所示，ZSM-5/粉煤灰-TiO₂/Cu复合材料在降解有机污染物方面优于或媲美多数文献报道的催化剂（如ZSM-5/TiO?、金属改性TiO?等），其优势源于Cu掺杂、ZSM-5孔隙和粉煤灰载体的协同效应，兼具高吸附容量和宽光谱响应。

结论

本研究成功合成ZFT-Cu₁复合材料，3ZFT-Cu₁在可见光和太阳光下均展现卓越的CV降解能力，吸附过程符合Freundlich模型，动力学遵循伪一级模型。该材料为染料废水治理提供了高效、低成本且环境友好的解决方案。