分级结构TiO2@碳纳米纤维气凝胶的可见光催化环境修复性能研究

本研究针对传统TiO2光催化剂可见光利用率低、电荷复合快等问题，开发了具有分级结构的TiO2@碳纳米纤维气凝胶（TiO2@CNFAs）。通过冰模板法和碳化工艺，实现了TiO2纳米颗粒在碳骨架上的均匀分布，将带隙缩小至2.33?eV，光电流密度提升16倍（3.63?μA/cm2），对四环素和三种染料的降解效率超90%，为环境修复提供了高效可见光驱动光催化剂。

　　

随着工业发展，纺织业染料和制药业抗生素等有机污染物对水资源的破坏日益严重，威胁生态系统和人类健康。传统TiO₂光催化剂因3.2?eV宽带隙仅能利用4%的紫外光，且电荷快速复合导致效率低下。为此，天津工业大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，提出了一种新型分级结构TiO₂@碳纳米纤维气凝胶（TiO₂@CNFAs），通过冰模板法将TiO₂纳米颗粒均匀负载于三维碳骨架上，带隙降至2.33?eV，光生载流子寿命延长至4.22?ns，在氙灯和自然光下对罗丹明B的降解率分别达93.69%和90%以上。

研究采用冰模板定向组装技术构建碳纳米纤维骨架，结合溶胶-凝胶法负载TiO₂，通过高温碳化形成紧密界面接触。关键实验包括X射线衍射（XRD）分析晶体结构、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定光吸收特性，以及瞬态光电流测试验证电荷分离效率。

材料与方法
使用杜邦Kevlar纤维和钛酸四丁酯等原料，通过纳米纤维解纤和冰晶导向成型制备前驱体，经冷冻干燥和碳化获得TiO₂@CNFAs。

结果与讨论

1. 分级结构特性：比表面积达153.7?m²/g的互联孔道促进污染物吸附；
2. 光学性能：碳掺杂使吸收边红移至532?nm，可见光响应显著增强；
3. 电荷动力学：TiO₂/碳界面电子转移使光电流密度较P25提升16倍；
4. 降解性能：对四环素和甲基蓝等污染物240分钟内降解率超90%，太阳光下效率接近人工光源。

结论
该研究通过理性设计TiO₂/碳界面工程，同步解决了光吸收窄和电荷复合快的核心难题。TiO₂@CNFAs的宏量制备工艺和稳定性能，为实际环境治理提供了新方案，其设计思路可拓展至其他光催化体系。研究获国家自然科学基金（52273059）和天津市科技计划（22JCYBJC01030）支持。