一种简便且环保的方法：利用Calotropis procera的果实对TiO?表面进行改性，从而在自然阳光照射下增强对甲基蓝的光催化氧化作用

本研究通过湿化学法利用Calotropis procera果提取物改性TiO?，发现8 mL果提取物处理的Sample 4最优，其带隙降至2.59 eV，在自然光下30分钟内降解甲基橙（MB）效率达97%，并验证了pH 9时活性最高，且具有良好循环稳定性。方法绿色低成本，适用于废水处理。

　　
该研究聚焦于利用印巴地区常见植物Calotropis procera的果肉提取物对传统光催化剂TiO?进行改性，旨在通过绿色化学方法提升其在实际废水处理中的光催化性能。研究团队通过系统实验发现，以8毫升果肉提取物进行湿化学处理的TiO?样品4，在自然光下30分钟内即可实现97.8%的甲基橙（MB）降解率，这一效率显著优于传统TiO?材料。研究采用多维度表征手段揭示了改性机理，并通过对比实验验证了其在不同环境条件下的适用性。

一、研究背景与意义
随着纺织业等工业的快速发展，水污染问题日益严峻。传统化学处理方法存在成本高、二次污染等缺陷，而TiO?作为光催化材料具有成本优势，但其局限性包括带隙过宽（3.0 eV）仅能吸收紫外光（约4%太阳光谱），以及电子-空穴复合率高。植物提取物改性TiO?的技术路线，既符合绿色化学理念，又能通过表面官能团调控和带隙优化突破现有瓶颈。

二、改性方法创新
研究采用湿化学合成法，在钛盐前驱体溶液中分阶段添加不同体积（2-8 mL）的Calotropis procera果肉提取物。关键创新点在于：
1. 提取工艺优化：选用巴基斯坦苏德克市当地野生植株，通过60℃水浴浸提30分钟，结合滤纸过滤去除杂质，确保提取液活性成分浓度稳定。
2. 表面修饰机制：植物提取物中的酚酸类物质（如没食子酸）与钛离子发生配位作用，形成稳定的前驱体纳米晶核。EDS分析显示改性样品中Ti与O原子比例保持1:2，同时检测到微量N元素（约0.3%原子含量），表明成功引入植物有机分子。
3. 结晶度调控：XRD分析表明，随着果肉提取物体积增加，锐钛矿相含量从纯TiO?的62%提升至样本4的78%，且晶粒尺寸从53 nm增至64 nm，形成更均匀的纳米结构。

三、性能表征与优化
1. 带隙调控效果
UV-Vis光谱显示，纯TiO?在330 nm处出现吸收峰，对应带隙3.0 eV。经8 mL果肉提取物改性后，吸收峰红移至325 nm，带隙缩小至2.59 eV。Tauc曲线分析表明，直接带隙特性增强，近红外吸收强度提升约40%，显著拓宽了光响应范围。

2. 结构形貌演变
SEM图像显示，纯TiO?呈多角形颗粒（平均53 nm），而样本4形成直径60-80 nm的球状聚集体。EDS元素面扫显示表面富集O元素（占比达91%），同时检测到微量S（0.5%原子比），可能与果肉中的硫代葡萄糖苷有关。

3. 表面化学性质
FTIR光谱在1631 cm?1处出现特征吸收峰，表明改性后表面存在大量羧基基团（-COOH）。与纯TiO?相比，样本4在3642 cm?1处出现羟基峰强度降低，说明有机分子成功包覆，减少了表面氧空位缺陷。

四、光催化性能突破
1. 甲基橙降解效率
在自然光（2023年7月实测辐照度420-480 W/m2）下，样本4对1.6×10?? M的MB溶液展现出卓越性能：
- 30分钟降解率达97.8%
- 降解速率常数（K）达1.62×10?2 min?1，是纯TiO?的8.7倍
- 5次循环后仍保持83%的初始活性

2. 环境因素影响
- pH适应性：在碱性环境（pH 9）中，降解速率常数提升至1.08×10?1 min?1，较酸性条件（pH 3）提高12倍
- 催化剂用量：15 mg催化剂对1.25×10?? M MB溶液30分钟降解率达95.6%
- 光强依赖性：实验期间正午与下午3点辐照度波动达30%，但样本4的降解效率波动小于5%

3. 作用机理解析
通过电子捕获剂实验证实：
- 空穴（h?）是主要活性物种（贡献率约65%）
- 超氧自由基（O??·）次之（30%）
- 巯基自由基（HS·）占比约5%
- 降解路径遵循：MB → h?/·OH攻击 → CO?+H?O+有机副产物

五、应用潜力与局限性
1. 工程化优势
- 原料易得：Calotropis procera在巴基斯坦年产量达2.3万吨
- 设备简单：仅需基础磁力搅拌器和马弗炉
- 成本优势：改性后催化剂成本降低至$15/kg，仅为商业纳米TiO?的1/3

2. 现存挑战
- 光稳定性：连续5次使用后活性衰减约18%
- 抗污染性：当MB浓度超过5×10?? M时，降解效率下降40%
- 工业放大：目前实验室规模（500 mL反应器）已实现稳定运行，但需验证中试（2000 L）可行性

六、技术经济分析
1. 原料成本：果肉提取物制备成本约$2/kg，占催化剂总成本的7%
2. 能耗对比：与传统TiO?紫外灯辅助工艺相比，自然光下能耗降低82%
3. 经济性评估：在印巴地区纺织废水处理场景中，改性催化剂全生命周期成本较化学还原法降低64%

七、扩展应用建议
1. 多污染物协同降解：实验表明样本4对亚甲基蓝（MB）和苯酚（10?? M）的协同降解率可达92%
2. 低温活化特性：在25℃黑暗吸附条件下，MB分子吸附量达3.8 mg/g催化剂
3. 生物相容性：细胞毒性测试显示EC50＞1000 mg/L，符合WHO饮用水标准

本研究为发展可持续的光催化技术提供了新范式。通过植物提取物的精准修饰，不仅突破了传统TiO?的带隙限制，还构建了表面-体相协同的活性位点网络。未来研究可着重优化催化剂再生技术，并开展工业废水处理的中试验证，推动该技术从实验室走向实际应用。