尿素介导Tb-TiO2纳米复合材料在紫外/太阳光下降解偶氮染料：废水解毒与微生物控制的智能解决方案

本工作通过溶胶-凝胶法制备尿素改性掺铽二氧化钛(Tb-U-TiO2)光催化剂，其协同效应显著提升结晶度、拓宽可见光吸收并抑制电荷复合。该材料在UV-C下完全降解Acid Black 1，太阳光下对Reactive Red 120去除率达96.87%，同时展现广谱抗菌性，为下一代废水处理提供低成本、太阳能驱动的多功能解决方案。

　　

化学原料

实验全程采用高纯度分析级化学品，无需进一步纯化。主要试剂包括2-丙醇(CH₃CH(OH)CH₃)、钛酸异丙酯(C₁₂H₂₈O₄Ti)、五水合硝酸铽(Tb(NO₃)₃·5H₂O)、尿素(CH₄N₂O)和冰醋酸(CH₃COOH)。染料Acid Black 1（AB 1）与Reactive Red 120（RR 120）购自Sigma-Aldrich，实验用水为超纯水。

结构相鉴定

通过X射线衍射(XRD)分析原始尿素改性二氧化钛(U-TiO₂)与掺铽尿素改性二氧化钛(Tb-U-TiO₂)光催化剂的晶体结构。未掺杂U-TiO₂样品在2θ角25.68°（101晶面）、36.18°（103晶面）等处出现典型锐钛矿相衍射峰。掺入铽后，衍射峰强度增强且半高宽减小，表明铽掺杂促进结晶度提升并减小晶粒尺寸。值得注意的是，未检测到氧化铽或尿素衍生物杂相峰，证明铽成功融入TiO₂晶格。

UV-C光诱导降解Acid Black 1偶氮染料

为评估材料光催化性能，使用20 ppm的AB 1染料溶液在紫外-C(UV-C)光照下进行降解实验。每次实验将20 mg催化剂与100 mL染料溶液（pH 7）均匀混合，光照前在黑暗环境中搅拌30分钟以达到吸附-脱附平衡。UV-C照射后，Tb-U-TiO₂表现出显著优于未掺杂U-TiO₂的降解效率，0.4 wt%铽掺杂样品实现AB 1完全降解。动力学分析符合伪一级反应模型，自由基捕获实验证实超氧阴离子(O₂^•?)和空穴(h⁺)为主导活性物种。

结论

通过简易溶胶-凝胶法成功构建多功能尿素改性掺铽TiO₂纳米复合材料，其在偶氮染料降解与抗菌性能方面均表现卓越。铽掺杂与尿素修饰的协同策略显著增强紫外区光吸收、加速电荷载流子动力学并优化表面相互作用。这一创新使材料在UV-C下实现AB 1完全降解，太阳光下对RR 120去除率达96.87%，同时具备对革兰氏阳性/阴性菌的强抗菌活性。材料在多轮循环中保持优异稳定性，为工业废水处理与环境修复提供新型太阳能驱动平台。