利用稻壳制备高吸附及光催化介孔二氧化钛纳米复合材料：开启可持续环保新篇

为解决稻壳灰（RHA）环境污染及 TiO2应用缺陷问题，研究人员以 RHA 制备介孔 RH-SBA-15 并合成 TiO2/RH-SBA-15 光催化剂。结果表明该催化剂在特定条件下光催化效率高，为农业废弃物处理和废水处理提供新途径。

　　

研究背景

在能源与环境问题日益严峻的当下，传统化石能源的使用引发了一系列棘手难题。燃烧天然气、煤炭和石油等化石燃料，不仅向大气中排放大量污染物，加剧空气污染，还导致温室气体浓度攀升，引发全球气候变暖，给地球生态环境带来沉重负担。在这样的大背景下，开发清洁、可持续的替代能源迫在眉睫。

农业废弃物因其丰富的木质纤维素成分，成为了可再生能源开发的潜力股。稻壳（RHs）作为大米生产的副产物，产量巨大且富含木质素、半纤维素、纤维素以及一定量的灰分。其较高的热价值使其具备转化为生物质能源的潜力，若能合理利用，既能减少对化石能源的依赖，又有助于降低温室气体排放。然而，稻壳燃烧后产生的稻壳灰（RHA）却成了新的环境难题。全球每年约产生 1.6 亿吨 RHA，目前主要的处理方式 —— 填埋，不仅占用大量土地资源，还可能污染土壤和地下水，对生态环境造成二次伤害。

与此同时，二氧化钛（TiO₂）凭借其高耐腐蚀性、高化学稳定性、大的能隙（3.0 - 3.2 eV）、优异的光学透明性以及在可见光和近红外区域的高折射率等特性，在众多领域展现出广阔的应用前景，尤其是在污水处理、空气净化等环保领域。但 TiO₂也存在明显缺陷，其粒径小（约 30nm），在水中极易团聚，大大降低了光催化活性；而且质量轻，难以离心回收，这使得它在商业大规模应用中受到严重限制。

此外，印染行业排放的大量含染料废水也给环境带来了极大威胁。以甲基橙（MO）为例，作为一种广泛应用于纺织、造纸和食品等行业的阴离子染料，若未经妥善处理就排放到环境中，其中含有的致癌物质会污染水源，破坏生态系统平衡。现有的生物降解、物理和化学等处理方法都存在一定的局限性，无法完全消除污染物，甚至还可能引发二次污染。

为了解决这些复杂的环境和能源问题，来自国外（文中未提及具体机构）的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于探索利用稻壳灰制备具有高吸附性和光催化性能的介孔二氧化钛纳米复合材料的可行性，相关研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》杂志上。这一研究成果为农业废弃物的资源化利用以及环境污染治理开辟了新的方向，具有重要的理论意义和实际应用价值。

主要技术方法

研究人员首先采用碱提取法从稻壳灰中获取硅酸钠溶液，再通过水热法制备介孔 RH-SBA-15 材料。之后，以 TiCl₄为钛源，利用特定方法合成 TiO₂/RH-SBA-15 光催化剂。运用低角度 XRD、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）等技术对催化剂进行表征分析，通过甲基橙光降解实验测试光催化性能。

研究结果

1. 催化剂结构分析：低角度 XRD 显示，RH-SBA-15 在 2θ = 0.8°、1.5° 和 1.8° 处出现特征峰，分别对应 (100)、(110) 和 (200) 平面，证实其具有二维六方对称（p6mm）的 SBA-15 结构，表明稻壳灰可用于合成高质量介孔二氧化硅。
2. TiO₂与载体相互作用：傅里叶变换红外光谱和 X 射线光电子能谱证实，在催化剂合成过程中生成了 Ti-O-Si 键，说明 TiO₂与 RH-SBA-15 之间存在化学键合，有助于提高催化剂性能。
3. 光催化性能影响因素：以甲基橙为目标污染物进行近紫外光降解实验发现，催化剂的光催化效率受多种因素影响。随着初始染料浓度、催化剂质量和煅烧温度的增加，光催化效率提高；而随着染料溶液 pH 值的增加，光催化效率降低。
4. 最佳催化条件确定：综合实验结果得出，该催化剂的最佳催化条件为：初始染料浓度 50 ppm、催化剂重量 200 mg、溶液 pH 值 2、煅烧温度 800°C、TiO₂比例 30%。在该条件下，催化剂对甲基橙的光催化降解效果最佳。
5. 光催化机理探究：通过动力学分析和自由基捕获实验，研究人员阐明了催化剂的光催化机理，为进一步优化催化剂性能提供了理论依据。
6. 催化剂稳定性研究：进行回收和再生测试，结果表明该催化剂具有一定的稳定性，在多次使用后仍能保持较好的光催化活性，这为其实际应用提供了有力支持。

研究结论与讨论

本研究成功利用稻壳灰这一木质纤维素生物质废弃物，提取硅用于制备介孔 RH-SBA-15 材料，并合成了 TiO₂/RH-SBA-15 光催化剂。实验结果证实，较低的 TiO₂负载量可使 TO-RS 材料具有更高的孔体积和更大的表面积，且随着 TiO₂比例降低，催化剂的能隙发生蓝移。该光催化剂在特定条件下对甲基橙表现出优异的光催化降解性能，为解决农业废弃物存储和废水处理等环境污染问题提供了新的思路和方法。

这一研究成果不仅实现了农业废弃物的高附加值利用，减少了环境污染，还为开发高效、可持续的光催化剂提供了参考。在未来的研究中，可以进一步探索该催化剂在其他污染物处理中的应用，优化制备工艺以提高催化剂性能，同时研究其在实际大规模应用中的可行性，为推动环保产业的发展做出更大贡献。