形态工程化的钒纳米结构在可见光驱动下的协同效应以及持久的 photocatalytic（光催化）活性

《Journal of Immunological Methods》：Synergistic visible light driven and persistent photocatalytic activity of morphology engineered vanadium nanostructures

基于形貌调控的钒 pentoxide 纳米结构光催化性能优化研究。通过湿化学法以乙二醇、草酸和硝酸为形貌 directing agents 合成纳米杆（V1）、纳米球（V2）和纳米纤维（V3），系统表征发现V3的比表面积达123.9 m2/g，带隙缩小至2.58 eV，光催化降解罗丹明B达98.44%，并验证其结构稳定性和循环可重复使用性。

　　这是一项关于通过湿化学方法合成氧化钒（V?O?）纳米结构的研究，重点在于通过调控形貌来提高其光催化性能。研究使用了乙二醇、草酸和硝酸作为结构导向剂，分别制备了纳米棒（V1）、纳米球（V2）和纳米纤维（V3）。这些材料的形貌、光学响应以及催化效率之间的关系被系统地分析，以揭示如何通过改变材料的物理结构来提升其在可见光下的催化能力。

在环境领域，合成染料的无控制排放对水生态系统构成了严重威胁。这些染料因其毒性、化学稳定性和难以降解的特性，往往在水体中长期存在，不仅影响光的穿透，还降低溶解氧含量，进而破坏生态平衡。传统的污水处理方法，如吸附、过滤和生物氧化，通常无法彻底去除这些污染物，因此开发能够高效、可持续去除有机污染物的可见光响应型光催化剂成为研究重点。氧化钒因其独特的层状正交晶系结构、可变的氧化态（V??/V??）、较高的理论电容以及适中的带隙（2.2–2.8 eV）而受到关注。这些特性使其在光吸收、电荷传输和氧化还原反应中表现出色，从而成为环境修复和电化学储能领域的理想材料。

然而，传统的氧化钒纳米颗粒合成方法往往依赖高温处理、有毒溶剂或高能耗工艺，这些过程可能影响材料的环境友好性和大规模生产可行性。因此，寻找一种绿色、低成本且能够控制形貌的合成策略成为当务之急。这种策略不仅应使用环境友好的试剂，还应在温和的反应条件下进行，同时确保材料的结构稳定性和性能不受影响。形貌控制在决定氧化钒基材料的功能特性方面起着关键作用。不同的纳米结构，如纳米棒、纳米球和纳米纤维，可以提供更大的比表面积和丰富的活性位点，从而促进光捕获、电荷分离和界面反应的效率。特别是，一维纳米结构能够实现定向电子传输，减少电荷复合，从而提升整体的光催化效率。

本研究通过选择不同的结构导向剂，系统地调控氧化钒纳米颗粒的形貌。乙二醇作为一种粘稠的多元醇，具有较高的沸点（197°C），在合成过程中起到还原剂和配位剂的作用，确保均匀成核并防止团聚。草酸则作为一种强有机二元酸，在合成过程中作为螯合剂和沉淀剂，促进前驱体的均匀形成，并在分解过程中有助于孔隙的生成。硝酸作为强氧化性无机酸，在合成过程中增强前驱体的氧化，并有助于去除有机残留，从而获得高度结晶且纯度较高的氧化钒纳米结构。通过这些试剂的合理选择，研究人员成功制备了具有不同形貌的氧化钒纳米颗粒，并对其进行了系统研究。

为了全面评估这些材料的性能，研究采用了多种分析技术。X射线衍射（XRD）分析揭示了不同形貌材料的晶体结构和相组成，显示了其在不同合成路线下的差异。紫外-可见吸收光谱（UV–Vis）分析表明，随着形貌的改变，带隙逐渐变窄，从纳米棒（V1）的2.65 eV变为纳米纤维（V3）的2.58 eV，这表明可见光吸收能力的提升以及载流子激发效率的增强。比表面积分析（BET）显示，纳米纤维（V3）的比表面积显著增加，从纳米棒（V1）的54.5 m2/g提升至纳米纤维（V3）的123.9 m2/g，反映了其孔隙率的增强和活性位点的增加。这些数据表明，通过调控形貌可以有效改善材料的光催化性能。

在光催化性能测试中，纳米纤维（V3）表现出最高的降解效率，对Eosin Yellow（EY）和Rhodamine B（RhB）两种染料的降解率分别达到了93.89%和98.44%。这一优异性能可以归因于其较大的比表面积、纤维状的结构特征以及高效的电荷分离能力。此外，V3催化剂还表现出良好的结构稳定性和可重复使用性，这使其在实际应用中具有更大的潜力。为了进一步验证V3催化剂的适用性，研究还进行了pH依赖性和自然光照射下的降解实验，结果显示其在不同条件下均能保持较高的降解效率，这表明其在实际环境中的广泛适用性。

除了光催化性能，研究还探讨了氧化钒纳米结构在能量存储领域的潜力。作为超级电容器和可充电电池的电极材料，氧化钒因其较高的理论电容和适中的带隙而受到关注。其层状正交结构有利于电荷的快速传输和氧化还原反应的可逆性，使其在电化学储能方面具有良好的前景。然而，传统的合成方法往往难以在温和条件下制备出具有理想结构和性能的氧化钒纳米材料，这限制了其在实际应用中的推广。因此，研究提出了一种可持续的形貌工程合成方法，以生产具有不同形貌的氧化钒纳米颗粒，并通过调控其结构来优化其光催化和电化学性能。

为了确保研究的准确性和可重复性，所有实验使用的化学品均为分析级，并购自印度的Merck公司。这些试剂在实验中直接使用，未经进一步纯化。通过这种选择，研究人员能够确保实验结果的一致性和可靠性。此外，研究还采用了多种分析技术，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱（UV–Vis）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）结合能谱分析（EDS）、比表面积分析（BET）、粒径分析（PSA）和电化学阻抗谱（EIS），以全面评估材料的结构和性能。这些技术的综合应用使得研究人员能够深入了解氧化钒纳米结构的结构-性能关系，从而为材料的优化和应用提供科学依据。

通过这项研究，研究人员不仅揭示了形貌调控对氧化钒纳米结构光催化性能的影响，还为开发多功能材料提供了新的思路。这些材料不仅能够高效去除有机污染物，还可能在能量存储领域发挥重要作用。因此，研究的成果对于推动环保和可持续能源技术的发展具有重要意义。此外，研究还强调了在材料合成过程中使用绿色和低成本方法的重要性，这不仅有助于提高材料的环境友好性，还能降低生产成本，提高其在实际应用中的可行性。通过这种综合性的研究方法，研究人员能够为氧化钒纳米结构的优化和应用提供更全面的指导，进一步拓展其在环境和能源领域的应用前景。