编辑推荐：
为解决阿特拉津（Atrazine）在水环境中的污染问题，研究人员开展了钴钛酸纳米颗粒（CoTiO3 NPs）光催化降解阿特拉津的研究。结果表明，该催化剂在多种条件下对阿特拉津降解效率高，遵循 Langmuir–Hinshelwood 模型。这为阿特拉津污染治理提供了新途径。
阿特拉津（Atrazine）作为一种广泛应用于农业的农药，虽然在促进农作物生长方面发挥了重要作用，但它对环境和人类健康的负面影响也不容忽视。阿特拉津具有高毒性、持久性和流动性，在水环境中难以降解，容易污染地下水等水源。长期接触阿特拉津，会对人体产生诸多危害，如呼吸道刺激、恶心、头晕等急性毒性反应，还可能引发慢性毒性问题，包括致癌风险以及对内分泌系统的干扰，影响生殖和发育。同时，它对鱼类、藻类、植物和土壤等生态系统也造成了严重破坏。
为了应对阿特拉津带来的环境挑战，来自尼日利亚国家食品药品监督管理局、尼日利亚国防学院、印度 Galgotias 工程技术学院、阿富汗帕克蒂亚大学等机构的研究人员，进行了钴钛酸纳米颗粒（CoTiO3 NPs）光催化降解阿特拉津的研究。该研究成果发表在《BMC Chemistry》上，为解决阿特拉津污染问题提供了新的方向和方法。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过 XRD（X 射线衍射）确定产物的物相；利用 SEM（扫描电子显微镜）观察纳米颗粒的形貌；借助 Raman 光谱、TGA（热重分析）、FT-IR（傅里叶变换红外光谱）等手段对材料进行表征；运用 GCMS（气相色谱 - 质谱联用仪）分析阿特拉津的降解产物和中间产物。
合成与表征
研究人员使用改进的 Pechini 法成功合成了 CoTiO3 NPs。SEM 图像显示，纳米颗粒形状不规则且易团聚，这是由于其高表面能导致粒子相互吸引。XRD 分析证实了 CoTiO3 NPs 具有菱面体相结构，平均微晶尺寸为 3.76nm，这表明合成的材料确实为纳米级颗粒。Raman 光谱分析显示出 Ti - O 和 Co - O 键的典型振动，进一步确认了钴钛酸结构的完整性。TGA 结果表明，该纳米颗粒在高达 800°C 的温度下仍能保持稳定，展现出良好的热稳定性。FT-IR 光谱在煅烧前后的变化，证明了煅烧过程促进了材料向结晶相的转变，提高了结晶度。光致发光光谱显示，纳米颗粒在可见光范围内有强发射，计算得到的带隙为 2.66eV，这使其能够有效吸收太阳能产生电子 - 空穴对，为光催化反应提供了可能。通过 BET（Brunauer–Emmett–Teller）理论和 DFT（密度泛函理论）计算，确定了纳米材料的比表面积、孔体积和孔径分布，表明其具有良好的吸附性能和较高的孔隙率。
光解与光催化降解
研究考察了浓度、催化剂用量、时间和 pH 等因素对阿特拉津降解的影响。实验结果表明，较低浓度的阿特拉津（20ppm）降解效率更高，这是因为在较低浓度下，催化剂更容易处理和降解目标产物。增加催化剂用量可以显著提高降解效率，因为更多的催化剂意味着更多的活性位点，能够加速光催化反应。降解效率随时间延长而提高，在最初的 20 分钟内，降解率较低，60 分钟后开始显著上升，说明阿特拉津的降解存在一个时间滞后。pH 对降解效率影响显著，碱性条件（pH10.22）下的降解效率最高。在酸性条件下，阿特拉津主要以质子化形式存在；在中性 pH 时，中性分子占主导；在碱性条件下，阿特拉津以去质子化形式存在。虽然理论上在碱性条件下，催化剂表面和阿特拉津之间存在静电排斥，但实际结果却与之相反，这是由于多种因素共同作用，如反应性中间体的形成、特定的相互作用以及钴钛酸催化剂独特的性质，能够促进羟基自由基的生成，从而加速降解反应。
降解动力学
研究发现，阿特拉津光降解的最佳拟合动力学模型是 Langmuir–Hinshelwood 模型。该模型表明，整体反应速率取决于底物在催化剂表面的吸附以及随后的光降解过程。在大多数情况下，光催化反应是驱动阿特拉津降解的主要机制。不同 pH 和阿特拉津浓度下，光降解速率常数和吸附速率常数不同，反映了反应条件对降解过程的影响。例如，在较高的催化剂用量（2.0mg/L）下，光降解速率常数通常高于吸附速率常数，表明光催化过程在降解中起主导作用；而在某些条件下，如较低的催化剂用量和特定的 pH 值，吸附过程可能成为速率限制步骤。
光催化剂的回收利用
通过多次洗涤和干燥，对光催化剂进行回收利用实验。结果显示，经过五次循环使用后，催化剂仍能保持较高的降解效率，分别为 98.7%、98.0%、97.3%、96.2% 和 94.3%，这表明该催化剂具有良好的可回收性和稳定性，为实际应用提供了有利条件。
清除剂实验
进行清除剂实验，以确定不同活性氧物种在光催化降解阿特拉津过程中的作用。实验结果表明，羟基自由基（HO?）是参与光降解过程最主要的活性物种，其清除剂甲醇的加入使降解率下降最多（17%）；其次是超氧自由基（O2--）。而光生电子 - 空穴对和单线态氧（O2）在光降解过程中的参与程度相对较低。
GCMS 对光降解机制的研究
利用 GCMS 对阿特拉津的降解中间体进行鉴定，发现阿特拉津首先转化为多种中间体，最终形成无毒的氰尿酸。在这个过程中，钴钛酸催化剂发挥了关键作用，在可见光的激发下，产生电子 - 空穴对，促进氧化还原反应。钴离子提供了活性位点，有助于电子转移，从而促进阿特拉津的降解。同时，催化剂能够产生活性氧物种（ROS），如羟基自由基（?OH）和超氧阴离子（O2-?），这些活性氧物种通过二氯化、环裂解和矿化等过程，破坏阿特拉津的化学键，最终将其转化为氰尿酸。
综上所述，本研究成功合成并表征了钴钛酸纳米颗粒，该纳米颗粒对阿特拉津具有显著的光催化降解活性，在最佳条件下，降解效率可达 100%。与以往的研究相比，该研究在降解效率、催化剂用量等方面有了明显的改进。通过对降解动力学和机制的深入研究，为阿特拉津的污染治理提供了重要的理论依据和实践指导。然而，研究也存在一定的局限性，未来需要进一步优化合成条件，探索其他光催化应用，扩大合成规模，深入研究光催化降解机制，并评估纳米颗粒的长期稳定性和再利用性，以推动该技术在实际环境修复中的广泛应用。
